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Università degli studi di Padova Dipartimento di Tecnica e Gestione dei Sistemi Industriali Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Gestionale Materiali soggetti ad usura nei settori estrattivo e delle costruzioni: potenziale sostituzione delle leghe ad elevato contenuto di materie prime critiche Relatore Prof. Franco Bonollo Laureanda Francesca Gianello Anno Accademico 2014/2015 INDICE Introduzione ....................................................................................................................... 1 CAPITOLO I 1.1.Criticità ed importanza a livello europeo delle materie prime ............................................. 3 1.1.Le soluzioni proposte per una miglior gestione della criticità delle risorse naturali ....... 11 1.1.1.Il riciclaggio ............................................................................................................ 11 1.1.2.Individuazione di potenziali sostituti ........................................................................ 14 1.1.2.1.Approccio UE ........................................................................................... 14 1.1.2.2.Approccio americano - Yale ..................................................................... 16 CAPITOLO II 2.1.Introduzione ............................................................................................................... 21 2.2.Gli indici di valutazione per la criticità delle risorse .......................................................... 22 2.2.1.Rappresentazione dei risultati ................................................................................... 24 2.3.La ghisa: definizione e tipologie ............................................................................................ 32 2.3.1.Ghisa sferoidale: il processo di austempering .......................................................... 35 CAPITOLO III 3.1.Introduzione e breve presentazione dell’azienda, la “Zanardi Fonderie S.p.A.” ............ 39 3.2.La ghisa ADI all’interno dell’azienda: importanza e sviluppo .............................. 40 3.3.Componenti resistenti ad usura ................................................................................ 41 3.3.1.Il concetto di usura ...................................................................................................... 44 3.3.1.1.L’usura abrasiva ................................................................................................ 44 3.3.2.Componenti analizzati : proprietà e definizione dei materiali concorrenti attualmente in uso .................................................................................................................................... 48 CAPITOLO IV 4.1.Panoramica dei settori, dei macchinari e dei componenti costitutivi oggetto di analisi ... 93 4.1.1.Comportamento ad usura della ghisa ADI e confronto con i principali concorrenti .. 94 4.1.2.Applicazioni e componenti analizzati ......................................................................... 96 4.1.2.1.Sistemi per la macinazione, la frantumazione e la miscelazione di inerti ............. 96 4.1.2.2.Sistemi di movimentazione a terra : escavatori e attrezzatura per attività sotterranee .........................................................................................................106 4.1.2.3.Sistemi di convogliamento e piani vaglianti ........................................................115 Conclusioni ..................................................................................................................... 119 Ringraziamenti ............................................................................................................................121 Riferimenti bibliografici ................................................................................................ 123 INTRODUZIONE Le risorse naturali costituiscono l’elemento base su cui fondano le economie dei paesi a livello mondiale. Tuttavia date le dimensioni del loro attuale utilizzo e data la criticità, di cui si discute nel capitolo I, in termini di reperibilità, si è cercato negli anni di provvedere a soluzioni che consentissero di superare tali ostacoli, cercando di garantire una certa stabilità economica e produttiva anche e soprattutto per le generazioni future. Sono stati realizzati a tal proposito degli studi, illustrati nel capitolo II, per l’analisi e la valutazione dell’importanza e della criticità relativa ad alcuni dei componenti ritenuti più importanti e fondamentali in termini di impiego a livello industriale ed in base ad una serie di indici di riferimento sono stati catalogati e classificati in base ai punteggi ottenuti relativamente a tali indicatori. Tra le soluzioni proposte per ovviare alle difficoltà sopracitate legate a questi elementi sono state ipotizzati il riciclaggio e l’individuazione di potenziali sostituti. A questo proposito un materiale che si è riscoperto essere particolarmente valido è la ghisa, che presenta una serie di vantaggi e di caratteristiche che la mettono in competizione con i principali acciai contenenti gli elementi individuati come critici; per citarne alcuni il minor contenuto di carbonio che le conferisce una maggiore leggerezza (circa il 10% di peso in meno rispetto agli acciai) e di conseguenza un vantaggio economico dovuto ad una riduzione in termini di costo e prezzo; il fatto di essere adatta solo ai processi di fonderia, caratteristica questa che consente di ridurre la quantità di materiale sprecato o in eccesso sottoforma di bava; il pezzo, di geometria anche complessa, può essere ottenuto al termine di un singolo processo di colata senza necessitare di ulteriori lavorazioni. In particolare la ghisa che meglio risponde ai requisiti industriali e che può effettivamente sostituire gli acciai alto legati o temprati in numerose applicazioni, è la ghisa sferoidale austemperata - ADI - di cui la “Zanardi Fonderie S.p.A”, azienda presso la quale si è svolto il periodo di tirocinio e per tanto si ringrazia, è produttrice leader. Durante il periodo di stage sono state selezionate alcune applicazioni potenzialmente interessanti cercando di capire quali potessero essere i materiali attualmente impiegati per realizzarli, per ipotizzare una possibile sostituzione con i gradi ADI della fonderia, capitolo III e IV. 1 2 CAPITOLO I 1.1.Criticità ed importanza a livello europeo delle materie prime Le risorse naturali sono la “spina dorsale” di ogni economia. [1] Il loro utilizzo e la loro trasformazione consentono la generazione dei capitali sociali che contribuiscono alla formazione della ricchezza delle generazioni presenti e future. Tuttavia , le dimensioni dell’utilizzo delle risorse attuali sono tali da rendere critiche per le future generazioni - e per i paesi in via di sviluppo - le probabilità di avere accesso alla loro giusta quota di “risorse limitate” [I] , comportando inoltre conseguenze pesanti e gravi in termini di impatti ambientali . Il 21 dicembre 2005 la Commissione Europea ha proposto una strategia per l'uso sostenibile delle risorse naturali utilizzate in Europa [1] . L'obiettivo della strategia è quello di ridurre gli impatti ambientali connessi all'uso delle risorse all’interno di un contesto economico in progressiva espansione, in continua crescita. Agire in questa prospettiva diventa un fattore determinante per aiutare l'UE a raggiungere uno sviluppo sostenibile, per soddisfare le esigenze delle generazioni attuali senza compromettere la capacità delle future generazioni di soddisfare le proprie esigenze promuovendo di fatto una migliore qualità della vita per tutti [2] . Lo sviluppo sostenibile offre una visione del progresso che integra obiettivi immediati e a lungo termine , di azione locale e globale , e considera le questioni sociali , economiche e ambientali come componenti inseparabili e interdipendenti di progresso umano . Lo sviluppo sostenibile non riguarda solo le questioni e le decisioni politico-economiche, deve essere invece inteso dalla società in generale come principio guida, relativamente anche e soprattutto alle molte e singole scelte che ogni cittadino fa ogni giorno. Ciò richiede profondi cambiamenti nel modo di pensare , nelle strutture economiche e sociali e nel sistema di consumo e di produzione. Tra gli aspetti che possono concorrere alla promozione di uno sviluppo sostenibile si possono indicare [3] : Per “risorsa limitata”, o “fattore di produzione”, ” si intende una risorsa la cui disponibilità è ridotta in relazione al suo utilizzo produttivo. I 3 - Riciclaggio dei materiali; - Limitazione delle emissioni di carbonio a livello industriale e domestico, mediante la riduzione di usi e consumi di combustibili fossili; - Sostituibilità delle risorse ο utilizzo di risorse rinnovabili. Tuttavia, in particolar modo relativamente a quello che è l’ultimo dei punti sopraelencati, è possibile affermare che lo sviluppo di risorse alternative può rivelarsi particolarmente costoso e richiedere parecchio tempo. Una soluzione possibile risulta quindi essere quella di massimizzare l’efficienza e l’efficacia nell’utilizzo delle risorse, delle materie prime attualmente disponibili, riducendone in questo modo il loro prematuro esaurimento. Per quanto riguarda l’Europa nello specifico [4], è possibile affermare che le materie prime sono di un’importanza fondamentale per la sua economia, per la sua crescita e sono essenziali per il mantenimento e il miglioramento della qualità della vita. Dato l’incremento stimato nell’impiego di tali materiali a livello produttivo, assicurare un accesso affidabile, sostenibile e certo a determinate e specifiche materie prime sta diventando un aspetto di crescente preoccupazione ed interesse sia all’interno del continente che in tutto il resto del mondo. La Commissione Europea, attraverso il progetto RMI (Raw Materials Initiative) del 2008, ha gestito la questione “materie prime”, individuando quali avrebbero potuto essere le materie prime critiche di cruciale importanza per l’economia europea, e quali i rischi associati a livello di fornitura e reperimento – figura n. 1.1. “Figura n.1.1: Matrice di criticità; all’interno della stessa si individua una zona detta “regione di criticità”, delimitata da un contorno rosso, per le materie a più alto rischio [16] ” 4 L’approvvigionamento [5] di materie prime, infatti, linfa per la moderna industria, è caratterizzato da crescenti sfide per l’Europa stessa, di fatto povera di risorse; la volatilità dei prezzi, le variazioni e fluttuazioni dei mercati, le “turbolenze” ed instabilità politiche e l’attenzione sempre più accentuata per quel che riguarda il rispetto e la protezione ambientale, sono alcuni degli aspetti critici che maggiormente influenzano tale attività. Ad un livello di analisi più ampio è possibile affermare che i cambiamenti demografici, la globalizzazione e l’urbanizzazione dimostrano chiaramente che è necessaria una continua innovazione per ridurre il consumo di risorse naturali. La strategia proposta dalla Commissione Europea prevede di focalizzarsi sull’accesso al mercato, sulle produzioni “autoctone” e sul riciclaggio; contemporaneamente le aziende leader europee vengono incentivate a proseguire nella loro azione di promozione di utilizzo efficiente delle risorse, attraverso politiche d’azione che riguardano il prezzo, la domanda e la disponibilità della merce per l’ottenimento di uno sviluppo sostenibile. Il metodo dell’UE per il calcolo dell’indice di rischio di fornitura per ciascuna materia prima è indicato nell’Eq. (1): (1) ππ’ππππ¦ πππ ππ = (1 − ο²π )ο ∑π (π΄ππ β πππ ) β ∑π(πππ 2 β [ππΊπΌπ ππ πΈππΌπ ]) Riciclabilità Sostituibilità Indici pesati Indicatori di Eq. (1) - definizioni: ρi – quota di materiale riciclato relativamente alla quantità di materiale complessivamente utilizzato per la produzione di un componente finito. – EoL Recycling Input Rate Ais – percentuale di materia prima i utilizzata nel settore s σis – sostituibilità della materia prima i nel settore s Pic – contributi del paese c nella produzione globale della materia prima i WGIc – valore del World Governance Indicators per il paese c EPIc – valore del Envirormental Performance Index per il paese c 5 L’indice di importanza economica si calcola sulla base del valore aggiunto totale dei settori produttivi, che dipende dalla specifica materia prima, come illustrato nell’Eq. (2): (2) πΈπππππππ ππππππ‘πππππ = ∑π (πππ β π΄ππ ) πΊπ·ππΈπ27 Indicatori di Eq. (2) - definizioni: Sis – valore aggiunto totale del settore s relativamente alla materia prima i Ais – percentuale di materia prima i utilizzata nel settore s GDPEU27 – GDP totale per EU27 Sin dalla rivoluzione industriale [5], alla base dell’economia mondiale, quindi, vi è un numero selezionato di metalli base [II] , utilizzati in quantità sempre crescenti, che costituiscono la “spina dorsale” per prodotti ed infrastrutture economiche. “Figura n.1.2 : Metalli Base [5] ” II I metalli base includono principalmente Fe,che combinato con C ed altri metalli origina l’acciaio, Cu, Sn, Pb, Z, Al, Mn, Mg. 6 La moderna economia consente di approcciarsi a nuovi metalli tecnologici che comprendono metalli preziosi, terre rare e semiconduttori, di cruciale importanza per le caratteristiche e funzionalità dei moderni prodotti. La disponibilità di tali metalli è caratterizzata da una sempre più pressante richiesta da parte delle economie emergenti e dei mercati globali. “Figura n.1.3: Metalli Tecnologici [5] ” Tali materiali, detti materiali non energetici [III] , sono di estrema importanza per le industrie lungo tutta la supply chain. Il rapido sviluppo di prodotti hi-tech e di applicazioni ambientali ha portato a diversi cambiamenti nella struttura della domanda di materie prime, in quanto la crescita della complessità di tali prodotti comporta un incremento corrispondente nella richiesta e nell’utilizzo di materiali necessari alla loro realizzazione. Anche il miglioramento delle performance ambientali è strettamente connesso alle materie prime; la riduzione delle emissioni dovute a processi di combustione interna, ad esempio, è stata resa possibile mediante l’introduzione di convertitori catalitici contenti metalli del gruppo del platino – PGMs III IV [IV] . Si definiscono invece materiali energetici risorse quali petrolio e gas. Rutenio – Ru, Rodio – Rh, Palladio – Pd, Osmio – Os, Iridio – Ir, Platino – Pt. 7 “Figura n.1.4: Distribuzione globale dei siti estrattivi per i metalli base [5]” Per quanto riguarda la locazione e la reperibilità di metalli base e tecnologici [5], è possibile affermare, relativamente alla prima categoria [V] , che i depositi di minerali non sono distribuiti in modo uniforme, in quanto si tratta del risultato di formazioni geologiche piuttosto che di confini politici; la ricchezza mineraria di un paese dipende quindi in maniera predominante dalla natura, sebbene l’attuale uso di tale ricchezza sia soggetto alla viabilità commerciale dell’estrazione all’interno di un contesto dove vigono regole di carattere sociale, ambientale, politico ed economico. Nuovi depositi possono ancora essere scoperti o diventare tecnologicamente disponibili. “Figura n. 1.5: Distribuzione globale dei siti estrattivi per i metalli base V 8 [5] ” Rispettivamente i colori indicano giacimenti di : Fe, Al (Bauxite), Mg, Cu, Zn, Sn Per quanto concerne invece gli elementi tecnologici [VI] , è possibile affermare che questi vengono estratti dai giacimenti di metalli base nei quali sono presenti in concentrazioni minime; tipicamente si trovano tracce di gallio – Ga – nei depositi di alluminio; tracce di molibdeno e cobalto – rispettivamente Mb e Co – nei giacimenti di rame; tantalio – Ta – associato allo stagno; germanio e indio – Ge e In – fusi con lo zinco. “Figura n.1.6: Distribuzione globale dei siti estrattivi per i metalli tecnologici [5]” Viceversa, alcuni metalli tecnologici vengono estratti insieme senza che sia necessariamente presente un metallo ospite, come accade ad esempio per gli elementi del PGMs e delle Terre Rare – RE. “Figura n.1.7: Distribuzione globale dei siti estrattivi per i metalli tecnologici [5]” VI Rispettivamente i colori indicano gli elementi tecnologici seguenti : Li, Terre Rare, Co, PGMs, W, Ta, Mb. 9 Le economie di tutti i paesi sono quindi strettamente dipendenti dalle materie prime, e questo è particolarmente vero per il continente europeo, dove il rifornimento di materie prime non energetiche rappresenta un elemento essenziale a sostegno della propria economia e produttività. È stato stimato [4] che più di 30 milioni di impieghi fanno diretto affidamento all’accesso di materie prime [VII] . Tuttavia, si legge nel report, solo una piccola parte della produzione primaria avviene all’interno dei 28 Stati Membri – EU28 – in quanto la maggior parte viene realizzata e resa disponibile dai paesi terzi. La tabella sottostante – figura 1.8 – mostra che l’approvvigionamento dei 54 materiali ritenuti critici (ridotti poi a 20, come mostra la figura n. 1.9), valutati nel report della Commissione Europea [4] , è controllato principalmente da paesi non appartenenti all’Unione Europea. “Figura n.1.8: Paesi che provvedono al supporto di MP per il mercato globale[4]” “Figura n.1.9: Materie prime critiche per l’Unione Europea [4]” Non vi sono importanti e significative produzioni di materiali quali il borato, l’indio, le Terre Rare e il titanio all’interno dell’Unione Europea (identificati quindi come risorse critiche), aspetto principalmente dovuto al fatto che l’UE stessa è ricca di depositi non ancora riconosciuti ed inesplorati, che sono di fatto destinati a rimanere tali a causa dell’attuale contesto economico, politico e competitivo. Un elemento peculiare relativamente alla disponibilità di metalli [6] riguarda le riserve naturali di metalli, ovvero quei depositi che grazie a condizioni geologiche favorevoli sono i principali candidati per l’estrazione, oggi e nel futuro. I metalli vengono estratti dai giacimenti riconosciuti, VII Si fa qui riferimento ai 54 elementi che nel report della Commissione Europea sono stati definiti come critici. 10 lavorati e trasformati in prodotti per il consumo. Al termine del proprio ciclo di vita e di utilizzo, i prodotti vengono dismessi per essere o riciclati o dispersi nell’ambiente. L’analisi del flusso di materiali consente di quantificare e valutare la quantità di materiale che entra ed esce dal sistema di interesse, garantendo l’equità e la corrispondenza dei due flussi. Per stimare le riserve di metallo è necessario definire un intervallo temporale di riferimento e successivamente una procedura di valutazione appropriata. Nel report in questione [6] vengono a tal proposito indicate due approcci alternativi: - “top – down” πΊπ = ∑π»π»π(π°ππππππ − πΆπππππππ) + πΊπ Eq. (3) Indicatori Eq. (3) – definizioni: St - riserve all’istante t; [To;T] = intervallo temporale di riferimento, tipicamente 50 ÷ 100 anni SO - riserve esistenti all’istante To - “bottom - -up” πΊπ = ∑π¨π π΅ππ β πππ Eq. (4) Indicatori Eq. (4) – definizioni: Nit - quantità finale di beni in uso al tempo t mit - contenuto di metallo presente nei prodotti finiti in uso A - numero dei diversi prodotti finiti 1.1.Le soluzioni proposte per una miglior gestione della criticità delle risorse naturali 1.1.1.Il riciclaggio Con l’idea di gestire al meglio la complessità delle questioni e delle sfide sopradescritte, la Commissione Europea, come già citato in precedenza, ha sviluppato nel 2008 una politica integrata chiamata “ Raw Material Initiative - RMI”., sviluppata sulla base di tre pilastri fondamentali: 11 - Assicurare parità di condizioni di accesso alle risorse nei paesi terzi; - Favorire un approvvigionamento sostenibile di materie prime; - Aumentare l’efficienza delle risorse e promuovere il riciclaggio. Le materie prime sono argomento centrale anche della strategia europea per il 2020 [VIII] al fine di assicurare una crescita ed uno sviluppo intelligente e sostenibile. [4] Nel 2007 viene fondata l’ “International Resource Panel - IRP”, per promuovere l’uso sostenibile delle risorse naturali e valutare gli impatti ambientali delle stesse durante l’intero ciclo di vita [7]; l’IRP successivamente lancia il Global Metal Flow Working Group, al fine di contribuire alla promozione, a livello globale, del riutilizzo e riciclaggio dei metalli, attività che consentono di trasformare i rifiuti in risorse. Il riciclaggio dei metalli [7] ha una lunga tradizione dal momento che risulta molto più efficiente dello spreco di risorse richiesto per svolgere attività di estrazione e di produzione dei metalli primari “ex novo”, anche quando non necessario. All’interno dell’articolo dell’International Resource Panel [7], vengono indicate le opportunità e i limiti del riciclaggio dei metalli e si evidenziano le infrastrutture necessarie al fine di massimizzare il recupero, dagli scarti, di risorse preziose. A tal proposito viene promosso dall’IRP l’approccio Product – Center che tiene in considerazione la composizione multi – materiale dei moderni prodotti; altro aspetto cruciale, su cui viene posto l’accento, è la presenza dei cosiddetti “designed minerals” , ovvero dei prodotti human – made, per i quali il riciclaggio pone sfide non indifferenti dato che tali prodotti contengono più di 40 elementi diversi, per ragioni prestazionali; questo mix complesso necessita di una conoscenza profonda degli aspetti termodinamici per consentire la separazione dei moderni prodotti in metalli preziosi, leghe , composti, ecc.. Risulta quindi di immediata comprensione l’importanza del ruolo rivestito dai product designers [IX] al fine di ridurre gli sforzi richiesti dall’attività di riciclaggio. VIII I 5 obiettivi che l'UE è chiamata a raggiungere entro il 2020 : Occupazione;R&S; Cambiamenti climatici e sostenibilità energetica; Istruzione; Lotta alla povertà e all'emarginazione. IX Generalmente si avvalgono di strumenti CAD e sistemi di simulazione, che consentono di controllare e conoscere il ciclo di vita dei prodotti, di definire i KPI (Key Performance Indicators) sulla base di aspetti fisici, tecnologici ed economici. 12 “Figura n.1.10 [7]” Applicazione di metodi e tecnologie all’interno della catena di recupero per l’estrazione dei metalli dai complessi “designed minerals” – i.e. prodotti. “Figura n.1.11” Prendendo in considerazione la composizione multi – materiale dei moderni prodotti, il PCA cerca la soluzione migliore di riciclaggio per ciascun prodotto al fine di ottenere la massima efficienza delle risorse. Il riciclaggio può fondamentalmente dirsi controllato da tre fattori chiave : l’economia, la tecnologia e le leggi di regolamentazione, aspetti che devono essere coordinati e gestiti in modo tale da garantire elevate frazioni di riciclaggio per più metalli contemporaneamente. Molto spesso i prodotti end – of – life (EoL), vengono gestiti in maniera inappropriata, comportando rischi per la salute e l’ambiente. 13 Al fine di migliorare l’attività di riciclo è necessario che i criteri di regolamentazione siano supportati da conoscenze tecniche ed economie realistiche; la conoscenza tecnica richiesta deve essere la migliore disponibile – Bets Available Technique, BAT [7] – per ciascuno degli step del processo – raccolta, pretrattamento [X] , riciclaggio. Occorrono inoltre degli incentivi al fine di garantire che tutti i componenti che costituiscono il cosiddetto “waste stream” – flusso di scarti – vengano processati nel passaggio successivo alla raccolta; possibili manovre in questo senso prevedono di estendere le responsabilità del produttore, di realizzare dei sistemi di deposito, di distribuire equamente i profitti che si ottengono dal riciclo delle frazioni preziose tra tutti gli attori della “catena del riciclo”. Nonostante tutte le fasi del processo siano estremamente importanti, il cuore del sistema è costituito dall’attività di “raccolta”, che copre un ruolo cruciale nel miglioramento dell’efficienza delle risorse e richiede la promozione di incentivi, accrescendo la consapevolezza dei consumatori, e la realizzazione di infrastrutture apposite per consentire l’esecuzione delle corrette attività di pretrattamento e riciclaggio e facilitare l’attività stessa di raccolta. 1.1.2.Individuazione di potenziali sostituti 1.1.2.1.Approccio UE Data la criticità per l’economia europea di alcune materie prime, sono stati condotti degli studi al fine di comprendere ed individuare l’esistenza di potenziali sostituti, valutando opportunamente il contesto applicativo ed economico, le caratteristiche tecnico – fisiche, la fattibilità quindi del progetto, con riferimento a specifiche e determinate linee guida. Nel documento preso come riferimento [8], si riassumono i risultati dell’analisi svolta relativamente a tre settori chiave quali quello energetico, dei trasporti e delle tecnologie ICT, evidenziando per ciascuno: X - l’esposizione al rischio relativamente alle materie prime critiche [XI] ; - l’attuale importanza economica; - la rispettiva quota di mercato. Prevede la scomposizione e suddivisione dei prodotti EoL nei diversi componenti costitutivi da introdurre nel ciclo di riciclaggio. XI Si definiscono critiche quelle risorse che soddisfano proprietà e funzioni uniche o di cui si registra una certa scarsità, CRM – Critical Raw Materials. 14 Le applicazioni differiscono considerevolmente sia a livello di numerosità di CRM contenute nei prodotti che di complessità della corrispondente value chain. L’obiettivo dell’analisi è quello di individuare la disponibilità delle materie prime critiche per ciascuna applicazione e la loro rilevanza in termini economici, per valutarne la potenziale sostituibilità. La modalità operativa adottata prevede in primis di analizzare la supply chain dei diversi ambiti applicativi, ponendo l’accento su tre aspetti fondamentali: - valore economico per l’Europa; - trasparenza e trasferibilità; - importanza delle materie prime critiche. Successivamente il processo si divide in due fasi: una prima fase di selezione ed individuazione delle applicazioni effettivamente rilevanti e una seconda fase in cui si analizza l’intera catena di fornitura per le materie critiche delle applicazioni selezionate nel passaggio precedente. “Figura n.1.12: Approccio perla selezione delle applicazioni per l’analisi della supply chain” Una materia può definirsi critica in relazione a diversi indicatori tra cui la fluttuazione dei prezzi, l’incremento dei costi di estrazione, l’incremento delle richieste, le forti influenze politiche, i rapporti con i fornitori all’interno della catena, la mancanza di tecnologie adatte per l’utilizzo di nuove risorse. Dal report [8] risultano particolarmente importanti principalmente i componenti, usati per i prodotti finiti, realizzati al di fuori dell’Europa quali magneti permanenti, dispositivi semiconduttori, batterie, leghe di magnesio e catalizzatori, dei quali è previsto un incremento nel consumo per il futuro; tali premesse giustificano di fatto la necessità di ricercare possibili sostituti per sopperire autonomamente alle esigenze e richieste dei mercati. 15 Si evince inoltre che al variare del contesto applicativo possono variare le criticità e gli aspetti rilevanti da tenere in considerazione [8], tuttavia possono essere definite delle generalità adattabili a qualsiasi situazione. La sostituzione di materie prime può essere vista in molti casi come un’opportunità per l’Europa; le compagnie intervistate [8] sostengono che il processo di sostituzione possa essere interpretato da un punto di vista funzionale; invece di sostituire il singolo materiale l’approccio prevede di intervenire sull’applicazione o sul componente che contiene le CRMs, riconfigurando in alcuni casi l’intero sistema. L’approccio sostitutivo prevede quindi di prendere in considerazione gli impatti sull’intero business e può durare parecchi anni, durante i quali le criticità dei materiali possono modificarsi e questo può compromettere l’intero studio. La metodologia qui proposta [8] si avvale di dati pubblici, uniformi basati su classificazioni generiche, metodi semplici ed immediati per la collezione e la classificazione delle informazioni e permette diversi vantaggi tra cui la possibilità di valutare i mercati all’interno del contesto economico dell’Unione Europea ed evita che i dati vengano manipolati per soddisfare determinati stakeholders. 1.1.2.2.Approccio americano - Yale Lo studio sviluppato invece dall’Università di Yale [9], cerca di individuare dei potenziali sostituti per 62 diversi materiali, per i loro principali impieghi, sottolineando le performance di tali sostituti in quelle determinate applicazioni; tuttavia si dimostra che per circa una dozzina di materiali tra quelli selezionati, i sostituti per i maggiori usi o non esistono o sono inappropriati e che per nessuno dei 62 materiali può essere reso disponibile un sostituto che copra in maniera soddisfacente tutti gli utilizzi basilari. L’idea di sostituire un materiale nasce dalla questione legata alla sua potenziale scarsità a fronte di una invece sempre più crescente domanda e richiesta, ma tale strategia necessita di essere analizzata e discussa in relazione ai diversi aspetti che caratterizzano la moderna società materials – dependent [9] . Nella fattispecie lo studio si sviluppa in relazione a tre variabili, a tre dimensioni chiave: - rischio di fornitura ( supply risk – SR); - implicazioni ambientali (environmental implications - EI); - vulnerabilità alle limitazioni di fornitura (vulnerability to supplì restriction VSR). 16 Un determinato numero di indicatori deve essere individuato e valutato per ciascuno dei tre assi in modo tale da collocare gli elementi selezionati all’interno di uno spazio di criticità tridimensionale. “Figura n.1.13” Quadro analitico utilizzato dall’università di Yale per determinare la criticità dei metalli a livello globale. Indicatori Definizione Depletion Time (DT) Il modello DT considera sia quantità primarie (estratte) che secondarie (riciclate). Companion Metal Fraction (CF) Percentuale di metallo estratta da un prodotto secondario. Material Assets (MA) πππ‘πππππ πππ πππππ‘π ππ π’π π π π‘πππ ππ΄ = log10 [( ∗ 1012 ) + 1] ∗ 40 ππππππ π π’π π π π‘πππ + πππ πππ£πππ ππ πππ πππ£π πππ π Riserve utilizzate a livello nazionale e globale. Substitute Performance (SP) Substitute Availability (SA) Environmental Impact Ratio (ER) ππ = ∑ Φi SPi π Φi frazione di utilizzo finale per l'elemento i - esimo e SPi è il valore numerico attribuito a SP per quell'utilizzo finale. SA indice ottenuto valutando il SR per ciascun potenziale sostituto individuato πΈπΌ = 50 ∗ πΈπΌ ππ’ππ π‘ππ‘π’π‘π πΈπΌ πππ‘ππ ππ ππππ’π EI è il punteggio relativo all'impatto ambientale “Tabella n. 1.1: Definizione degli indicatori; fonte: “Panousi et al.” e “Harper et al.”” 17 Il processo interessa sei elementi che si possono tipicamente trovare nei depositi di rame ( rame, oro, argento, arsenico, selenio e tellurio). In figura 1.14 vengono rappresentati i risultati della ricerca indicando con un “punto centrale” il valore migliore per ciascun metallo, mentre la nuvola sfumata di contorno indica come varia l’incertezza relativamente alle misure espresse nella figura n.1.13. Si nota come le tre dimensioni assumano valori diversi per i vari elementi; il rischio di fornitura per metalli quali arsenico, selenio e tellurio è molto maggiore rispetto a quello di rame e oro; l’impatto ambientale è molto basso per rame, selenio e tellurio mentre raggiunge valori elevati per arsenico e oro; infine il livello di vulnerabilità relativamente alle limitazioni di fornitura è elevato per rame e oro, dato il loro importante impiego in produzione e, specificatamente per l’oro, la scarsa possibilità di essere sostituito. “Figura n.1.14” Disposizione degli elementi della famiglia del rame nello spazio tridimensionale di criticità a livello globale, 2008. 18 Il passaggio successivo prevede di determinare per ciascun metallo e semimetallo della tavola periodica – 62, i principali sostituti; per ognuno di questi impieghi viene individuato il sostituto più performante (primario), evidenziandone il comportamento – viene riportato un esempio in figura n.1.15. “Figura n.1.15” Tungsteno : usi e potenziali sostituti. 19 20 CAPITOLO II 2.1.Introduzione Sulla base dello studio relativo all’individuazione e analisi della criticità di alcune materie prime, proposto dall’università di Yale e dal National Research Council, ci si appresta a valutare la composizione chimica di alcuni acciai impiegati in applicazioni industriali campione, considerate durante il periodo di tirocinio, evidenziando la presenza in termini percentuali di quei componenti, che nel precedente capitolo, sono stati definiti critici; il grado di criticità di tali elementi, si ricorda, dipende da aspetti quali la presenza e l’abbondanza sul territorio, la relativa potenziale sostituzione, la dispersione dei depositi minerari a livello globale, lo stato della tecnologia per le attività di estrazione, l’insieme delle normative che devono essere rispettate nelle attività di estrazione stesse, l’instabilità politico – legislativa e le condizioni dell’economia mondiale [13]. L’obiettivo è quello di evidenziare i vantaggi e l’impatto in termini di riduzioni di materie prime critiche, Critical Raw Materials [XII] , della sostituibilità di tali metalli, di tali leghe con la ghisa, ADI – ghisa sferoidale austemperata – nella fattispecie, nei diversi gradi proposti a livello commerciale dall’azienda presso la quale è stato svolto il periodo di tirocinio e il lavoro di ricerca, la “Zanardi Fonderie S.p.A.”. Raw material criticality = supply risk ο vulnerability = likelihood of supply disruptions ο economic consequences [16]. XII 21 2.2.Gli indici di valutazione per la criticità delle risorse Il metodo adottato e applicato dall’università di Yale [XIII], classifica e definisce la criticità degli elementi costitutivi sulla base di tre principali parametri di valutazione: - rischio di fornitura ( Supply Risk[XIV] – SR); - implicazioni ambientali (Environmental Implications - EI); - vulnerabilità alle limitazioni di fornitura (Vulnerability to Supply Restriction VSR). Ciascun fattore viene suddiviso poi in ulteriori indici, come riportato ed indicato nelle figure [XV] 2.5, 2.6 e 2.7. Lungo termine “Figura n. 2.5: Rischio di Fornitura medio e lungo termine, fonte Graedel, et al. “Methodology of Metal Criticality Determination” Environ. Sci. Technol., 2012. ” XIII L’approccio utilizzato è una delle alternative possibili per determinare la criticità delle risorse;si avvale della cosiddetta “matrice di criticità” che valuta gli elementi sulla base degli indici di rischio di approvvigionamento e della loro importanza economica. Risk = probability of occurrence ο consequence = likelihood ο vulnerability = relative frequency ο severity [16]. XIV XV Fonte: Graedel, et al. Methodology of Metal Criticality Determination Environ. Sci.Forestry & Environmental Studies 22 Yale School of “Figura n. 2.6: Indicatore di Vulnerabilità alle restrizioni di fornitura; fonte Graedel, et al. “Methodology of Metal Criticality Determination” Environ. Sci. Technol., 2012.” Le tre cosiddette “Areas of Protection” – AoP [XVI] – indicate nella figura 2.7 indicano i tre parametri rispetto cui valutare il ciclo di vita di un qualsiasi prodotto e il relativo impatto ambientale. A tali aree corrispondono poi ulteriori indicatori relativamente a quello che è l’intervallo temporale del processo evolutivo preso in considerazione – Endpoints, Midpoints, Inventory. “ Figura n. 2.7” “ Figura n. 2.7: Fonte “ International Reference Life Cycle Data System”, 2010” XVI Human Health, Natural Envirorment e Natural Resources 23 2.2.1.Rappresentazione dei risultati Il grado di criticità degli elementi individuati viene quindi evidenziato e rappresentato graficamente in uno spazio tridimensionale, detto spazio di criticità – figura 2.10. Il modello di riferimento utilizzato dai ricercatori e collaboratori coinvolti nello “Yale Criticality Project”, è quello proposto dal National Reseacrch Council (NRC); si tratta di un approccio che prevede la realizzazione di una matrice di criticità, a partire dalla matrice di rischio generale – figura 2.8, lato sinistro – che impiega come indicatori la VULNERABILITÀ AL RISCHIO di FORNITURA (Vulnerability to Supply Restriction) e il RISCHIO di APPROVVIGIONAMENTO (Supply Risk) – figura 2.8, lato destro. “Figura n.2.8: nella matrice di criticità del NRC il grado di criticità delle materie prime viene interpretato come in “rischio sistemico” per un’economia dovuto alle difficoltà di reperibilità della materia prima stessa. La figura 2.9 mostra come si posizionano le varie materie prime critiche rispetto alle variabili cartesiane, assegnando a ciascuna di esse un valore graduato, un punteggio[XVII] da 1 – basso/low – a 4 – alto/high, che dipende, per l’asse verticale, dalla domanda in cui un particolare elemento è richiesto per la realizzazione di un componente finito, in base a XVII Il punteggio dipende dall’impatto che l’elemento può avere a livello produttivo in termini di performance relativamente al singolo produttore ma anche a livello globale all’interno del settore industriale di riferimento, nonché dal grado di sostituibilità dell’elemento stesso. Si deve tenere inoltre conto del fatto che diversi settori produttivi possono affrontare rischi di fornitura diversi [14]. 24 quelle che sono le proprietà fisiche e chimiche dello stesso; per essere critico un minerale deve essere sia di fondamentale importanza nell’utilizzo (asse verticale della matrice) che soggetto a restrizioni in termini di approvvigionamento (asse orizzontale della matrice); essere essenziale in termini di impiego significa che difficilmente è possibile trovare un sostituto che sia in grado di eguagliare le prestazioni del minerale a costi comparabili; le restrizioni in termini di disponibilità sono direttamente proporzionali nel lungo termine, alle condizioni di reperibilità e a fattori geologici - se la risorsa mineraria esiste; politici se il governo attraverso la propria politica e le proprie azioni influenza la disponibilità della risorsa; tecnici – se la risorsa si può estrarre e processare; economici – se il costo di produzione è accessibile per gli utilizzatori; ambientali e sociali – se le modalità di produzione rispettano le condizioni socio - ambientali [14]. Degli undici minerali esaminati, PMGs – gruppo del platino, RE – terre rare, indio, manganese e niobio sono definiti critici a causa della loro difficile sostituibilità e dell’elevato rischio di fornitura; per quanto riguarda gli elementi rimanenti – rame, tantalio, litio, gallio, titanio e vanadio – la presenza di potenziali alternative e il basso rischio di reperibilità fanno si che non siano particolarmente soggetti a restrizioni per il momento [14]. “Figura n.2.9: Matrice di criticità; fonte “Minerals, Critical Minerals, and the U.S. Economy”, Washington D.C., 2008.” 25 Lo studio realizzato dai ricercatori di Yale si focalizza in realtà principalmente su alcuni elementi specifici – ferro, manganese, cromo, niobio e vanadio – ovvero il gruppo del “ferro e dei suoi principali elementi in lega [XVIII] ”; si tratta infatti di metalli ad elevato impiego nel settore industriale; la combinazione del Fe con i componenti sopraelencati, consente di ottenere specifiche proprietà, conferendo al semilavorato, al prodotto finito determinate caratteristiche al variare delle esigenze applicative [XIX]. “Figura n. 2.9: Tavola periodica con evidenziato gli elementi del Gruppo del Ferro, oggetto di interesse per lo Yale Criticality Project .” Lo spazio di criticità[XX] sottostante – figura 2.10 – riporta graficamente i risultati numerici ottenuti dalla combinazione tra la valutazione di ciascun indicatore e l’applicazione del Metodo Montecarlo di simulazione : per ciascun elemento viene quindi individuato un punto medio (central dot) che rappresenta i punteggi esatti per ogni indicatore, ovvero la stima migliore derivante dalla combinazione di tutti i valori per ciascuno degli indici di valutazione, ed una nuvola di incertezza (uncertainity cloud) , per indicare che tali risultati sono comunque soggetti ad una componente di variabilità ed incertezza. XVIII Metal Criticality Grouping (Yale Project) Ferro: costruzioni, trasporti, macchinari; Cromo: inox e acciai legati, prodotti chimici, materiali refrattari; Niobio: acciai HSLA, acciai inossidabili, superleghe; Manganese e Vanadio: acciai a base di ferro, superleghe, prodotti chimici e batterie. XX Fonte: Nuss et al. (2014) Criticality of Iron and Its Principal Alloying Elements. Environ Sci Technol 48: 4171–4177. XIX 26 “Figura n.2.10: Spazio di criticità; fonte Nuss et al. (2014) Criticality of Iron and Its Principal Alloying Elements. Environ Sci Technol ” Relativamente a una serie di applicazioni, sono stati valutati e considerati i materiali attualmente in uso, evidenziando per alcuni di essi la presenza importante, in termini percentuali, di alcuni elementi ad elevata criticità – tabelle da 2.1 a 2.7. Si tratta di acciai che, proprio grazie alla presenza di tali componenti, garantiscono delle eccellenti prestazioni a livello di resistenza all’usura – abrasiva e adesiva – di durezza e di resistenza meccanica. 27 COMPOSIZIONE CHIMICA GHISE BIANCHE MARTENSITIC HE TIPO Type A Ni-Cr-HC Type B Ni-Cr-LC Type C Ni-Cr-GB Type D Ni-Hi-Cr Type A 12% Cr Class II resistenza ad Type B 15% Crusura abrasiva e a Mo-LC condizioni di Type C impatto 15% Crripetute; Mo-HC maggior Type D durezza 20% Crgrazie Mo-LC all'aggiunta Type E di Mo. 20% CrMo-HC Class III per componneti Type E particolarme 25% Cr nte soggetti ad usura. Class I resistenza ad usura abrasiva e a condizioni di impatto ripetute. Elem ento C Mn Si <= 1.3 <= 0.80 <= 1.3 <= 0.80 <= 1.3 <= 0.80 Cr Ni 1.4 ÷ 4.0 1.4 ÷ 4.0 1.1 ÷ 1.5 7.0 ÷ 11 3.3 ÷ 5.0 3.3 ÷ 5.0 2.7 ÷ 4.0 5.0 ÷ 7.0 Mo P S Fe Cu <= 0.15 86 - <= 0.15 87 - <= 0.15 88 - <= 0.15 78 - <= 0.060 80 <= 1.2 3.0 ÷ 3.6 2.5 ÷ 3.0 2.9 ÷ 3.7 2.5 ÷ 3.6 2.4 ÷ 2.8 <= 1.3 1.0 ÷ 2.2 0.50 ÷ 1.5 <= 1.0 11 ÷ 14 <= 0.50 0.50 ÷ 1.0 <= 0.30 <= 0.30 <= 0.30 <= 0.10 <= 0.10 % 2.4 ÷ 2.8 0.50 ÷ 1.5 <= 1.0 14 ÷ 18 <= 0.50 1.0 ÷ 3.0 <= 0.10 <= 0.060 76 <= 1.2 % 2.8 ÷ 3.6 0.50 ÷ 1.5 <= 1.0 14 ÷ 18 <= 0.50 2.3 ÷ 3.5 <= 0.10 <= 0.060 74 <= 1.2 % 2.0 ÷ 2.6 0.50 ÷ 1.5 <= 1.0 18 ÷ 23 <= 1.5 <= 1.5 <= 0.10 <= 0.060 70 <= 1.2 % 2.6 ÷ 3.2 0.50 ÷ 1.5 <= 1.0 18 ÷ 23 <= 1.5 1.0 ÷ 2.0 <= 0.10 <= 0.060 70 <= 1.2 2.3 ÷ 3.0 0.50 ÷ 1.5 <= 1.0 23 ÷ 28 <= 1.5 <= 1.5 <= 0.10 <= 0.060 65 <= 1.2 % % % % % % <= 1.0 <= 1.0 <= 1.0 <= 1.0 “Tabella n. 2.1: Composizione chimica ghise bianche martensitiche ” COMPOSIZIONE CHIMICA ACCIAI TIPO Eleme nto Ingrang geria, alberi, perni, element i di trasmiss ione, boccole, spinotti, idler. 27MnCrB5 % 20MnCr5 % 16CrNi4 % 16MnCr5 % 18NiCrMo5 % C Mn 0.24 ÷ 0.30 0.17 ÷ 0.22 0.13 ÷ 0.18 0.14 ÷ 0.19 1.10 ÷ 1.40 1.10 ÷ 1.40 0.70 ÷ 1.00 0.15 ÷ 0.21 Si < 0.40 0.15 ÷ 0.40 0.15 ÷ 0.40 1 ÷ 1.3 0.40 0.60 ÷ 0.90 0.15 ÷ 0.40 Cr 0.30 ÷ 0.60 1.00 ÷ 1.30 0.80 ÷ 1.10 0.80 ÷ 1.10 0.70 ÷ 1.00 “Tabella n. 2.2: Composizione chimica acciai legati” 28 Ni Mo P S - - - - - - - - 0.80 ÷ 1.10 - - - - - - - 1.20 ÷ 1.50 0.15 ÷ 0.25 0.025 0.035 POLVERE METALLICA per utensili da taglio, alesatori, frese, vomeri. TIPO COMPOSIZIONE CHIMICA C Cr Mo W Elemento Vanadis 23 % 1.28 4.2 5.0 V 6.4 3.1 “Tabella n. 2.3: Composizione chimica Vanadis 23” COMPOSIZIONE CHIMICA LAMIERA IN ACCIAIO RESISTENTE ALL'USURA per sprockets, mulini, benne, utensili da taglio, convogliatori , frantoi, taglienti. TIPO ASTM A7 Mod. ASTM D7 HARDO X 400 HARDO X 450 HARDO X 500 Ele me nto C Cr Fe Mn Mo Si S V P Ni B % 2.6 8.25 82.5 0.60 1.2 0.30 0.0050 4.5 - - - % 2.3 12.5 79.3 0.40 1.1 0.40 - 4.0 - - - % 0.32 1.40 - 1.60 0.60 0.70 0.010 - 0.025 1.50 0,004 % 0.26 1.40 - 1.60 0.60 0.70 0.010 - 0.025 1.00 0,004 % 0.30 1.50 - 1.60 0.60 0.70 0.010 - 0.025 1.50 0.004 “Tabella n. 2.4: Composizione chimica lamiere in acciaio resistente all’usura” ACCIAIO EXTRA - ALTO TIPO RESISTENZIALE per sistemi d trasporto, in DOMEX particolare 700 cingoli per escavatori. COMPOSIZIONE CHIMICA Eleme nto C Mn P S Si Al Nb V Ti % 0.12 2.10 0.025 0.010 0.10 0.015 0.09 0.20 0.15 “Tabella n. 2.5: Composizione chimica Domex 700” 29 COMPOSIZIONE CHIMICA TIPO AISI M4 ACCIAI – HSS RAPIDI e AISI SUPER A11 RAPIDI Crucibl utilizzati e Steel CPM® per utensili di 9V® Tool taglio, Steel con CPM 9V buona resistenza all'usura Crucibl e Steel e resistenza CPM® Rex M4 . HC(HS) Tool Steel COBALT 6BH Ele m en to C Mn Si Cr W Mo V Fe Mg S C o Ni % 1.3 0.30 0.30 4.5 5.5 4.5 4 79.6 - - - - % 2.45 - - 5.25 - 1.3 9.75 81.25 - - - - % 1.9 - - 5.25 - 1.3 9.1 82.45 - - - - % 1.42 - - 4.0 5.5 5.25 4.0 79.47 - - % 0.90 ÷ 1.4 2.0 - 28 ÷ 32 3.5 ÷ 5.5 - <= 3.0 1.5 0.30 ÷ 0.060 0.70 ÷ 0.22 “Tabella n. 2.6: Composizione chimica acciai rapidi e super rapidi” 30 - - 50 ÷ 3.0 67 COMPOSIZIONE CHIMICA TIPO CREUS ABRO® ACCIAI al 4800 CREUS Mn LEGATI e ABRO® 8000 NON LEGATI CREUS ABRO® per martelli, M corazze, mascelle Mn 12 ed impianti di frantumaz Mn X ione e macinazio MnCr ne in 12.2 genarale, dove è MnCr richiesta 18.2 una buona MnCr resistenza 20.3 all'usura e all'impatt MnMo 6.1 o. MnNi 12.2 Roc Mn Roc 321 Ele men to C Cr % 0.20 1.9 % 0.28 1.6 99.4 1.6 % 1.15 - 85 13 Fe 1.10 ÷ 0.80 1.35 - % 1.20 ÷ 0.80 1.50 - % 1.10 ÷ 1.35 - % % % 1.20 ÷ 1.50 1.35 ÷ 1.50 1÷ 2 1÷ 2 0.60 1.10÷ ÷ 1.30 1.2 Mo Ni P S Ti 95.5 ÷ <= 0.2 0.005 1.6 0.018 0.20 99.8 0.40 0 0 % 1÷ 2 Mn - 11.5 ÷ 14.5 11.5 ÷ 14.5 11.5 ÷ 14.6 16 ÷ 18 18 ÷ 21 - 6÷ 8 % 0.95 ÷ 1.25 14 - 11.5 ÷ 14 % 1.30 1.50 - 13 % 0.23 1.60 - 1.70 >= 0.4 0.20 0 Si - - 0.002 0 - - - - - 0.002 0 - 0.40 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 0.04 0.04 - 0.50 0.035 0.035 - 0.70 0.80 1.4 ÷ ÷ 1.2 2.4 - - “Tabella n. 2.7: Composizione chimica acciai al Mn” 31 2.3.La ghisa: definizione e tipologie Tuttavia, negli ultimi anni, ha avuto una rapida ed ampia espansione in diversi settori applicativi anche la ghisa [11]. Si definisce ghisa una lega con un tenore di carbonio superiore al 2.06% , ovvero con una percentuale di carbonio maggiore rispetto a quella di solubilizzazione nell’Austenite; a seguito del processo di solidificazione si forma un eutettico costituito da Austenite e cementite oppure grafite. La ghisa può essere generalmente suddivisa in quattro famiglie – figura 2.1: “ Figura n. 2.1: Classificazione ghise” 1. Ghisa bianca: formata da cementite ed ottenuta per velocità di raffreddamento elevate, molto dura ma allo stesso tempo molto fragile; 2. Ghisa grigia: formata da lamelle di grafite che danno un colore grigio alla ghisa; presenta ottime proprietà di trasmissione del calore e della corrente elettrica ma risulta essere particolarmente fragile a causa della sua struttura: le lamelle infatti fungono da punto di innesco per le cricche; 3. Ghisa malleabile: si ottiene attraverso un trattamento termico a partire dalla ghisa bianca. Il trattamento consiste nel portare la ghisa bianca a 900-1000°C in modo da sciogliere la cementite, trasformandola in grafite compatta, agglomerata e non appuntita. Questo tipo di ghisa è ad oggi sostituita dalla ghisa sferoidale , che ha proprietà meccaniche migliori e costi di realizzazione minori (è ottenuta infatti direttamente dalla colata); 32 4. Ghisa sferoidale: la grafite è presente sottoforma di noduli; la grafite si aggrega in forma sferoidale grazie alla presenza di alcuni elementi, come per esempio il magnesio – Mg ο questo le conferisce maggiore duttilità: la struttura sferoidale infatti inibisce la propagazione delle cricche. Particolare interesse ha riscosso negli ultimi tempi la ghisa duttile austemperata - ADI, designata come potenziale materiale sostitutivo dei tradizionali acciai ad alte caratteristiche e prestazioni meccaniche, ad oggi utilizzati. La competizione con i principali concorrenti richiede che la ghisa presenti caratteristiche realmente ottimizzate, che dipendono principalmente dalla microstruttura della ghisa stessa, controllabile attraverso il processo di solidificazione, il cui monitoraggio consente la generazione di cementite piuttosto che di grafite, strutture che si formano al termine del processo in presenza di determinate e specifiche condizioni di velocità e composizione, conferendo alla ghisa finale proprietà differenti. In condizioni normali di raffreddamento, prendendo cioè come sistema di riferimento il sistema binario Fe-C, si forma cementite, eutettico metastabile che tende a generarsi molto più rapidamente rispetto la grafite, fenomeno avvantaggiato dal fatto che nel sistema considerato la differenza di temperatura[XXI] tra gli eutettici stabile (grafite) e metastabile (Fe3C) è praticamente trascurabile. Per aumentare questa differenza di temperatura è necessario agire sui due parametri che controllano ed influenzano il processo di solidificazione: composizione e velocità di raffreddamento. - Composizione: un elemento decisivo per la grafite è il Si. Ci si riferisce quindi generalmente alle ghise grigie definendole come sistemi multicomponente approssimati dal sistema ternario Fe-C-Si. La presenza del silicio consente di diminuire il tenore di C nell’eutettico, aumentare la T di formazione della grafite di 4°C e di diminuire la T di formazione della cementite di 15°C per ogni punto percentuale di Si aggiunto. Aumentando quindi il ΔT [1153;1147]°C ο [1161; 1117]°C, si favorisce il solo raffreddamento della grafite anche se lento; elementi cementificanti sono invece Cr, Mn e P. XXIXXI Temperatura eutettico stabile 1153° C, temperatura eutettico metastabile 1147° C 33 “Figura n. 2.11: Solidificazione, ruolo della velocità di raffreddamento” - Velocità di raffreddamento: poiché la differenza tra Tgrafite e Tcementite è molto bassa tendenzialmente un raffreddamento rapido favorisce la formazione di cementite, raffreddando più lentamente si facilita la solidificazione e la formazione di grafite. La possibilità di poter monitorare il processo di solidificazione attraverso opportuni sistemi di calcolo offre notevoli vantaggi; ciò consente di valutare a priori la distribuzione delle caratteristiche microstrutturali, le durezze e le tensioni di rottura, semplicemente variando al calcolatore le numerose variabili e i numerosi parametri disponibili. Le applicazioni della ghisa per la costruzione di componenti vanno affinandosi per tre motivi principali: - nuovi metodi nella formatura degli stampi; - introduzione delle ghise ad elevate caratteristiche meccaniche – ghise sferoidali e a struttura bainito – austenitica; - 34 miglioramento delle tecniche di colata, sia in termini di produttività che di costi. 2.3.1.Ghisa sferoidale: il processo di austempering Esiste una sottofamiglia particolare di ghise sferoidali, che per effetto del trattamento cui sono sottoposte prendono il nome di ghise duttili (o sferoidali appunto) austemperate. Vengono prodotte mediante il processo di austempering delle ghise duttili convenzionali[XXII]; la loro matrice è costituita da una combinazione di Ferrite aciculare ed Austenite satura di carbonio - AUSFERRITE [XXIII]. Il processo di austempering si compone di quattro fasi consecutive, cosi definite: 1. Austenizzazione ο il getto in ghisa (sferoidale) viene riscaldato a 900 °C – campo austenitico, dove il materiale rimane per un tempo sufficiente perché la Ferrite si trasformi in Austenite. 2. Raffreddamento rapido ο il getto viene immerso in un bagno di sali fusi che consente il mantenimento della temperatura a 250 - 400 °C – temperatura superiore a quella di martensite start (Ms)[XXIV] , struttura ottenibile tramite processo di bonifica – tempra e rinvenimento – degli acciai; si tratta di un passaggio istantaneo che conferisce immediatamente temperatura desiderata la all’oggetto immerso; “ Figura n. 2.4: Il processo di Austempering” XXII Per ghise duttili “convenzionali” si intendono la ghisa duttile ferritica, la ghisa duttile ferrotico – perlitica e la ghisa duttile perlitica. Ausferrite ο aghetti alternati di Ferrite e Austenite, senza carburi, caratterizzata da una struttura con resistenza meccanica elevata e poco fragile. XXIII XXIV La Martensite è una forma allotropica metastabile dell'acciaio, sovrassatura di carbonio, nel reticolo del ferro α, che presenta alta durezza e resistenza meccanica. È una fase che non sussiste in equilibrio, ma può essere ottenuta mediante congelamento strutturale dell'Austenite per brusco raffreddamento fino a temperatura ambiente. 35 3. Austemperingο si forma cosi una struttura detta AUSFERRITE , costituita da Fe-ο‘ e Fe-ο§ che diventa instabile nel momento in cui il processo interseca le curve di trasformazione di Bain : a bordo grano iniziano a formarsi aghetti di Fe-ο‘ circondati da una matrice ricca di C ( Fe-ο§ stabilizzato ad alto contenuto di carbonio) ; nel momento in cui la zona caratterizzata da Ferrite circondata da Austenite satura di C ha raggiunto uno spessore adeguato, il processo viene interrotto; 4. Decomposizione dell’Austenite ad alto C ο il processo viene arrestato prima che il C in eccesso formi la cementite (raffreddandosi), evitando così la formazione di bainite. Di seguito vengono riportati alcuni dei vantaggi derivanti dall’utilizzo delle ghise ADI: - le caratteristiche meccaniche delle ghise austemperate permettono, in molti casi, di sostituire pezzi meccanici in acciaio bonificato. Il peso specifico delle ghise ADI è di circa il 10% inferiore rispetto all’acciaio e quindi, a parità di resistenza meccanica, si ottengono componenti con minori pesi e con conseguenti minori consumi; - un getto in ADI permette una maggiore libertà di disegno e quindi di semplificazione di progettazione rispetto a pezzi ad esempio in acciaio stampato; - i componenti meccanici in ghisa ADI hanno un’emissione sonora inferiore rispetto a pezzi in altro materiale adibiti allo stesso utilizzo. Esistono, ad esempio, degli studi in corso per valutare l’opportunità di costruire i corpi compressori dei frigoriferi in ghisa austemperata; 36 - l’analisi dei tempi costituisce un ulteriore elemento di confronto; nonché l’usura dello stampo che garantisce una costanza delle tolleranze dimensionali; “Figura n. 2.11 : simulazione per la valutazione e il monitoraggio dei tempi di raffreddamento e solidificazione” - il consumo energetico per la produzione di un pezzo in ghisa ADI è inferiore rispetto al consumo energetico per la produzione di un pezzo in acciaio a parità di caratteristiche e impiego. L’acciaio fonde ad una temperatura più alta della ghisa e quindi occorre più energia a parità di forma del pezzo. Tutti questi aspetti rendono la ghisa un valido e potenziale concorrente; tuttavia non sempre la sostituzione è immediata, automatica e possibile. Come si vedrà nei prossimi capitoli, ciascuna applicazione è a sé stante e in ogni situazione, al variare delle condizioni di esercizio, il materiale assume comportamenti differenti, difficilmente monitorabili o prevedibili a priori. Si tratta di fatto di una sfida aperta, in continua fase evolutiva e conoscitiva, per riuscire ad approfondire al meglio le informazioni di cui già si dispone, in modo tale da garantire una certa competitività all’interno di un mercato in progressiva crescita ed espansione. 37 38 CAPITOLO III 3.1.Introduzione e breve presentazione dell’azienda, la “Zanardi Fonderie S.p.A.” Scopo di questo lavoro di tesi è anche quello di valutare la possibilità di sostituire con la ghisa, nei gradi ADI, gli acciai attualmente e generalmente utilizzati in alcune applicazioni resistenti ad usura che sono state osservate durante il periodo di tirocinio svolto presso la “Zanardi Fonderie S.p.A.”. Nella fattispecie vengono considerati i settori minerario e delle costruzioni come macro aree applicative di interesse, all’interno delle quali valutare una serie di componenti di cui la Zanardi è produttrice e fornitrice. La Zanardi Fonderie S.p.A. produce pezzi meccanici in genere in ghisa sferoidale mediante formatura a verde ovvero stampo con terra di fonderia [12]. La fonderia ha iniziato la sua attività nel 1931 e attualmente è presente in azienda la terza e quarta generazione della famiglia Zanardi. Dal 1964 la produzione è costituita principalmente da pezzi in ghisa a grafite sferoidale (e ADI – sferoidale austemperata – dal 1984 ), elemento che le consente di distinguersi sul mercato; l’azienda deve il suo successo anche all’impegno che ha dimostrato, e che tuttora dimostra, nello sviluppo di lavorazioni successive alla produzione di pezzi (trattamenti termici, verniciatura, lavorazioni meccaniche), alla collaborazione con i clienti nella progettazione di nuovi componenti ad elevate prestazioni e alla volontà di garantire un elevato standard qualitativo. La capacità produttiva aziendale [12] è di circa 23.000 t/anno, di cui circa 8.000 in ghise sferoidali austemperate (attualmente la Zanardi Fonderie è il maggior produttore europeo di questo tipo di ghisa e il secondo al mondo). I principali settori di mercato sono: - Movimento terra - escavatori su cingoli (35% circa di produzione); - Organi di trasmissione (20%); - Parti per veicoli industriali (15%). Il rimanente 30% è distribuito su vari settori quali: macchine agricole, oleodinamica, edilizia, macchine tessili, e meccanica in generale. 39 L'alta flessibilità della produzione consente di fornire mercati anche diversi tra loro. L'obiettivo del marketing è oggi quello di incrementare il mercato delle ghise sferoidali austemperate, sviluppando nuove applicazioni in collaborazione con i clienti; le ghise austemperate costituiscono, infatti, un materiale innovativo, potendo sostituire la produzione di ingranaggi e altri componenti meccanici oggi prodotti in acciaio ad alte caratteristiche meccaniche. 3.2.La ghisa ADI all’interno dell’azienda: importanza e sviluppo La ghisa è una lega di ferro (Fe) e carbonio (C), più altri elementi; si differenzia dall'acciaio, che pure è una lega Fe-C, in quanto il C, nella ghisa, è presente in misura superiore del 1,7 %; il fatto che nella ghisa ci sia più C e meno Fe è la giustificazione del fatto che la ghisa pesa meno, del 10% circa, rispetto all’acciaio. La ghisa sferoidale austemperata ADI (Austempered Ductile Iron) si realizza eseguendo un trattamento termico della ghisa sferoidale in bagni di sale. Per realizzare la ghisa sferoidale (la grafite - C quando allo stato solido amorfo – solidifica cioè a forma di sferoidi) è necessario partire dalla ghisa base (detta grigia o meccanica), che è composta solamente da Fe, C e da circa ulteriori 18 metalli, molti dei quali presenti in minima percentuale; nella ghisa base il C appare a lamelle, struttura che è causa della sua minore resistenza meccanica. Per trasformare nella ghisa base la grafite da lamellare a sferoidale, e quindi aumentarne la tenacità e la duttilità, si aggiunge una lega di ferro, silicio e magnesio. Inoltre, per aumentare la durezza della matrice, cioè la base di Fe, si aggiungono alcuni leganti quali Rame (Cu) e Manganese (Mn), che determinano il passaggio dallo stato ferritico della matrice, stato con minor durezza, a quello perlitico, stato con maggior durezza. Dopo aver prodotto la ghisa sferoidale allo stato liquido, si procede a colare la ghisa nelle forme per realizzare i pezzi di produzione. Per ottenere la ghisa ADI, una volta solidificati, i pezzi iniziano la fase del trattamento termico che consiste nel portare gli stessi ad una temperatura tale da ottenere una struttura completamente AUSFERRITICA in tutte le parti del getto, per poi raffreddarli, immergendoli in una vasca contenente sali fusi, con una velocità di raffreddamento controllata fino alla temperatura desiderata, 40 variabile tra i 250 °C e i 400 °C in funzione del grado da ottenere, e mantenendoli alla stessa per un tempo sufficiente a far completare la reazione ausferritica Questo processo modifica la microstruttura di partenza in una nuova microstruttura – AUSFERRITE - caratterizzata da grafite in soluzione solida, ferrite aciculare dispersa in una fase di austenite stabilizzata, che conferisce al materiale proprietà meccaniche, statiche, di tenacità e dinamiche superiori alle ghise sferoidali convenzionali e confrontabili con gli acciai da costruzione. La tecnologia sviluppata dalla “Zanardi Fonderie S.p.A.” per produrre ghisa ADI è tale da permetterne la lavorabilità fino al grado 1050/6, i pezzi possono quindi essere consegnati al cliente già trattati ed essere successivamente lavorati, con vantaggi economici e gestionali (in termini di tempistiche e movimentazioni ridotte); oltre tale grado i getti devono essere lavorati prima del trattamento termico. 3.3.Componenti resistenti ad usura Dal punto di vista commerciale e produttivo la “Zanardi Fonderie S.p.A.” è un’azienda in continua e costante crescita; numerose sono le collaborazioni con partner, assodati e potenziali, con enti di ricerca e sviluppo, con realtà accademiche che le consentono di essere una società all’avanguardia nello sviluppo e nella realizzazione di prodotti e componenti per diversi campi applicativi, tra cui : - Movimento a terra; - Trasmissioni; - Macchine agricole; - Autoveicoli; - Camion e Autobus; - Componenti Compressori; - Idraulica/oleodinamica; - Ferroviario; - Cementifici e miniere. Figura n.3.2, esempio applicazione: Corazza di Rivestimento – settore Cementifici e Miniere. 41 Figura n.3.2, esempio applicazione : Rotatore pompa cemento – settore cementifici e miniere Figura n.3.3, esempio applicazione: Ruota motrice – settore Movimento a Terra Figura n.3.4, esempio applicazione : Piastra di mescolazione – settore Cementifici e Miniere Figura n.3.5, esempio applicazione : Maglia catena – settore Movimento a Terra 42 Un mercato che sta diventando particolarmente interessante negli ultimi anni per la fonderia è il mercato dell’usura, che rappresenta una potenzialità dal punto di vista commerciale, della produttività e del profitto; i materiali che vengono infatti sviluppati al suo interno presentano caratteristiche tali da risultare competitivi con i principali concorrenti ad oggi utilizzati. Tuttavia si tratta di un mercato estremamente ampio e frammentato, poiché ogni costruttore o cliente ha il suo componente specifico (martello per la frantumazione, corazza degli organi di macinazione, ecc..) adattabile e adatto alla particolare applicazione, al particolare macchinario. La figura 3.6 illustra i principali contesti applicativi, con riferimento al settore usura, all’interno della “Zanardi Fonderie” : APPLICAZIONI RESISTENTI ad USURA MINERARIO Punte di perforazione Martelli frantoio COSTRUZIONI Rotori calcestruzzo Portapunte fresatrici asfalto RICICLO VETRI ED INERTI AGRICOLTURA FERROVIARIO Martelli frantoio Coltelli trincia Coclee per cartiera Friction wedge Corazze frantoio Lame vegetazione Giranti sabbiatrici Componente sottocarro Corazze frantoio Puntali per benne Wear liners Martelli cementificio Erpici Puntali per benne Puntali demolizione Componenti sottocarro Corazze mescolatori Lama per seminatrici Pale mescolatori Avvolgi filo Componenti sottocarro INDUSTRIALE Puntali fresa Vomeri aratura Cassa pompa Girante pompa Trituratore legno Rullo spannocchiatore Ruote dentate per catena Figura n.3.6 : Settore usura, “Zanardi Fonderie S.p.A.” 43 3.3.1.Il concetto di usura In termini generali con il termine usura ci si riferisce a tutti quei fenomeni che comportano danneggiamenti sulla superficie di due corpi solidi a contatto ed in movimento relativo tra di loro; all’interno è possibile distinguere diversi tipi di meccanismi, tra cui: - Usura da adesione, l’usura è il risultato dell’adesione dei rivestimenti dei due corpi a contatto; - Fatica da usura, l’usura è dovuta a cicli di sforzi che si hanno durante rotolamento e strisciamento; - Usura da cavitazione, usura causata dal fenomeno di cavitazione in presenza di liquidi che scorrono molto velocemente; - Usura da erosione, dovuta al’impatto con particelle; - Usura abrasiva, dovuta allo sfregamento tra due materiali, uno dei quali è particolarmente duro e resistente e l’altro non è sufficientemente protetto. 3.3.1.1.L’usura abrasiva Nelle applicazioni considerate, viene valutato il comportamento dei componenti in presenza di usura abrasiva, poiché è il fenomeno che interessa i settori presi come riferimento durante l’analisi (minerario e costruzioni); questo fenomeno si ottiene quando un oggetto solido viene investito da particelle di un materiale con una durezza uguale o superiore a quella del solido stesso – è il caso ad esempio delle macchine per la movimentazione dei terreni. Il problema dell’usura abrasiva è un aspetto molto diffuso in quanto ogni materiale può esserne soggetto se sono presenti particelle più dure. Una delle maggiori difficoltà nella comprensione e nel controllo di tale fenomeno è che il termine usura abrasiva non descrive precisamente il meccanismo che la origina. Esistono infatti molti diversi meccanismi di azione (che si possono anche avere contemporaneamente) ognuno con diverse caratteristiche. 44 Oltre ai meccanismi di taglio, sono stati individuati nel corso degli anni, molti meccanismi indiretti, tra cui micro tagli, microfratture, pull-out di singoli grani o fatica accelerata dovuta a deformazioni ripetute, come causa di comportamenti ad usura. “Figura n.3.7 : Meccanismo di usura abrasiva” Il primo meccanismo rappresentato è il taglio. È il classico modello che si usa quando le particelle o le asperità "tagliano" la superficie meno dura del pezzo. Il materiale tagliato viene rimosso come detrito dell’usura e sulla superficie si osservano molti intagli, in genere di forma piramidale o sferica. Quando il materiale abraso è fragile, ad esempio un ceramico, si ha la frattura della superficie. In questo caso i detriti sono il risultato dell’avanzamento delle cricche fino alla rottura. Quando un materiale duttile è soggetto ad abrasione da parte di particelle non spigolose i fenomeni di taglio sono sfavoriti e la superficie abrasa è soggetta a deformazioni ripetute (fatica). L’usura dovuta alle ripetute deformazioni può essere considerata una forma relativamente debole di usura abrasiva poiché è necessaria la successiva azione di numerose particelle per produrre detriti. 45 L’ultimo meccanismo, pull-out, rappresenta il distaccamento o l’espulsione dei grani. Questo meccanismo è molto diffuso nei ceramici dove la superficie del grano è debolmente legata e il fenomeno risulta molto rapido. In questo caso l’intero grano diventa detrito dell’abrasione. Senza entrare nel dettaglio di ciascuna, la tabella seguente riassume in modo esaustivo le diverse tipologie di usura precedentemente elencate: NATURA DEL CORPO ANTAGONISTA TIPI di CONTATTO TIPO di MOTO VARIANTE DEL TIPO di MOTO MODI di USURA MECCANISMI di USURA Continuo Usura da strisciamento Abrasione Discontinuo Adesione Deformazione Delaminazione Piccola ampiezza Abrasione Unidirezionale Strisciamento Usura da sfregamento Alternato Grande ampiezza Corrosione Fatica superficiale Continuo Adesione Solido Unidirezionale Adesione Deformazione Rotolamento Piccola ampiezza Alternato Usura da rotolamento Fatica superficiale Grande ampiezza Singolo Usura da urto Abrasione Plurimo Usura da martellamento Deformazione Fatica superficiale Urto Fluido & particelle solide Strisciamento Erosione Usura da erosione Urto Fluido & altro fluido Ripetuto Strisciamento Urto Ripetuto “Tabella n.3.1: Classificazione dei meccanismi ad usura” 46 Delaminazione Erosione abrasiva Erosione da cavitazione Erosione da fluido Deformazione Corrosione Fatica superficiale La tabella seguente consente invece di associare ciascun fenomeno ad un particolare campo applicativo: “Tabella n. 3.2 fonte “Attrito e Usura”, prof. Strafellini Giovanni” Generalmente la resistenza ad usura abrasiva di un determinato materiale dipende dalla sua durezza, tuttavia non è detto che lo stesso componente o utensile presenti le medesime caratteristiche al variare delle condizioni di utilizzo; per una determinata applicazione possono esistere molteplici soluzioni e scelte, questo a causa della variabilità del comportamento ad usura del materiale dovuta alla numerosità dei parametri che di volta in volta devono essere presi in considerazione. Le conoscenze di cui si dispone relativamente alle applicazioni resistenti ad usura, sono sfortunatamente insufficienti per predire in sicurezza e con certezza, attraverso calcoli e simulazioni, come reagirà l’utensile in condizioni di esercizio. In alcuni casi risultano poco utili anche le prove realizzate in laboratorio, poiché non si è di fatto in grado di riprodurre con esattezza la moltitudine di variabili reali che intervengono durante la messa in uso dello strumento. 47 La conoscenza delle proprietà di resistenza all’usura sono di fondamentale importanza per la valutazione e la determinazione della durata del componente, in quanto la sostituzione dello stesso richiede costi e tempi non trascurabili, che incidono sulla produttività e sulle performance qualitative dell’applicazione. Oltre che ad un aspetto economico-gestionale, è necessario, in questo caso, fare riferimento a quelle che sono le proprietà fisico-chimiche del materiale in modo tale da consentire quella che è l’analisi comparata delle alternative, oggetto di questo lavoro di tesi, con riferimento inoltre a quanto illustrato nel capitolo I per quel che concerne la criticità delle materie prime critiche alla base dei principali acciai utilizzati per la realizzazione dei componenti interessati. 3.3.2.Componenti analizzati : proprietà e definizione dei materiali concorrenti attualmente in uso Come illustrato in figura 3.6, i settori di riferimento per l’azienda ed i relativi componenti coprono un’area di interesse abbastanza ampia; data la complessità del lavoro che ne sarebbe derivata, si è deciso di focalizzare l’attenzione su due campi applicativi specifici, nella fattispecie il settore minerario e il settore delle costruzioni; relativamente a questi ultimi, si sono analizzati i componenti che avrebbero potuto riscuotere un certo interesse per l’azienda, realizzati da clienti e contatti con cui la “Zanardi Fonderie” intrattiene rapporti commerciali. Per ciascun componente si è cercato poi di individuare quale potesse essere il materiale impiegato; data la scarsa e difficile reperibilità di informazioni a riguardo, nella maggior parte dei casi si è spesso dovuto ricorrere a connessioni ed associazioni per analogia, partendo da quelle che sono le proprietà chimiche e fisiche, di durezza in particolar modo, del potenziale materiale concorrente. Utilizzando come riferimento i dati forniti internamente dall’azienda, sono stati scelti alcuni materiali che presentano delle proprietà interessanti relativamente ai campi applicativi considerati. 48 Di seguito vengono elencati, evidenziando la rispettiva composizione chimica[XXV], la durezza relativa e le condizioni di impiego. Per ciascun materiale viene fornita una breve descrizione di quelle che sono le caratteristiche di resistenza all’usura, lavorabilità e le principali applicazioni in cui solitamente viene utilizzato. ο§ 16CrNi4 L'acciaio legato al CrNi, a temprabilità ridotta, presenta un'elevatissima durezza superficiale e resistenza all'usura, un'ottima resistenza meccanica ed all'urto con tenacità a cuore, una discreta resistenza al calore (fino a 200 °C), una buona saldabilità e lavorabilità allo stato ricotto. E' adatto per pezzi di piccole e medie dimensioni (fino a 40 mm di spessore) piuttosto sollecitati e soggetti a forte usura, poco deformabili al trattamento di tempra : boccole, spinotti, ingranaggi, corone per differenziale, ruote per catene, rulli, perni, particolari di automatismi. Durezza ο 145 ≤ HB ≤ 225. Composizione chimica 16CrNi4 Carbon, C 0.13 - 0.18 % Manganese, Mn 0.70 - 1 % Phosphorous, P 0.035 Sulfur, S 0.035 Silicon, Si 0.15 - 0.40 % Chromium, Cr 0.80 - 1.10 % Molybdenum, Mo - Nickel, Ni 0.80 - 1.10 % “Tabella n. 3.3 composizione chimica 16CrNi4” XXV In grigio vengono indicati le materie prime critiche. 49 ο§ 16MnCr5 E’ un ottimo acciaio da cementazione, che all’elevata durezza dello strato cementato unisce un’eccellente tenacità del nucleo. E’ facilmente lavorabile a caldo e saldabile. Può essere fornito sotto forma di barre laminate, barre pelate o barre trafilate, come pure in barre forgiate. Tra gli acciai speciali è tra i più indicati per la fabbricazione di elementi meccanici quali pignoni, cremagliere, alberi, ingranaggi e giunti cardanici. La durezza di questo materiale varia in base allo spessore del laminato, e della lavorazione finale a cui è sottoposto. “Figura n. 3.7 durezze 16MnCr5” Composizione chimica 16MnCr5 Carbon, C 0.14 - 0.19 % Manganese, Mn 1 - 1,3 % Phosphorous, P 0.025 Sulfur, S 0.035 Silicon, Si 0.40 % Chromium, Cr 0.80 - 1.10 % “Tabella n. 3.4 composizione chimica 16MnCr5 ” 50 ο§ 18NiCrMo5 L'acciaio legato al NiCrMo, è largamente impiegato per parti di macchine sottoposte all'usura – ingranaggi e pignoni di ogni tipo e per gli usi più severi, alberi a camme, semiassi d'autoveicoli, boccole e perni, stampi per materie plastiche, cilindri rigati per filatura – che richiedono un'elevata durezza superficiale, buona tenacità a cuore, ottime caratteristiche meccaniche, minime deformazioni alla tempra e hanno dimensioni fino a 100mm di spessore. Spesso questo acciaio viene impiegato solamente temprato e disteso in sostituzione degli acciai da bonifica poiché, a parità di durezza e di caratteristiche tensili, possiede una maggiore tenacità. Durezza ο 264 HB Composizione chimica 18NiCrMo5 Boron, B 0.0010 - 0.0050 % Carbon, C 0.12 - 0.21 % Chromium, Cr 0.85 - 1.2 % Iron, Fe 96% Manganese, Mn 0.45 - 0.70 % Molybdenum, Mo 0.45 - 0.60 % Nickel, Ni 1.2 - 1.5 % Phosphorous, P <= 0.035 % Silicon, Si 0.20 - 0.35 % Sulfur, S <= 0.040 % “Tabella n. 3.5 composizione chimica 18NiCrMo5 ” 51 ο§ 20MnCr5 Acciaio legato al MnCr, facilmente lavorabile a caldo e saldabile, adatto per la tempra in olio. Possiede bassa temprabilità e perciò può dare buone caratteristiche a nucleo fino a spessori di circa 40 - 50 mm. Può essere modificato con aggiunta di boro che ha la funzione di migliorare la temprabilità e soprattutto la tenacità dello strato cementato e temprato. Tra gli acciai speciali rimane tra i più indicati per la costruzione di elementi meccanici quali ruote dentate di media grandezza, giunti ed assi per la costruzione di veicoli. Durezza ο 150 - 220 HB Composizione chimica 20MnCr5 Component Elements Properties Metric Carbon, C 0.20 % Chromium, Cr 1.15 % Iron, Fe 97.13 % Manganese, Mn 1.25 % Silicon, Si 0.27 % “Tabella n. 3.6 composizione chimica 20MnCr5 ” 52 ο§ 27MnCrB5 Acciaio legato al boro trattabile termicamente, adatto ad applicazioni resistenti ad usura alto resistenziali come sprockets, parti meccaniche, vomeri. Durezza ο 38 HRC a 900 ° Composizione chimica 27MnCrB5 Carbon, C 0.24 - 0.30 Manganese, Mn 1.10 - 1.40 Silicon, Si < 0.40 Phosphorous, P 0.0 Sulfur, S < 0.035 Chromium, Cr 0.30 - 0.60 Boron, B 0.0008 - 0.0050 “Tabella n. 3.7 composizione chimica 27MnCrB5 ” ο§ 38MnCrB5 Acciaio legato al Boro trattabile termicamente, adatto ad applicazioni resistenti ad usura alto resistenziali come sprockets, parti meccaniche, vomeri. Durezza ο 530 – 550 HB 53 ο§ Carburo di W - WC Il tungsteno ha una vasta gamma di usi, di cui il più diffuso è senz'altro come carburo di tungsteno (W2C, WC) nei carburicementati. Questi materiali sono molto resistenti all'usura e sono usati nella lavorazione degli altri metalli, nell'industria mineraria, petrolifera e delle costruzioni. Superleghe contenenti questo metallo sono usate in pale di turbine, utensili d'acciaio e parti meccaniche o rivestimenti resistenti all'usura. Durezza ο 90 - 92 HRC ο§ DOMEX 700 La composizione chimica prevede che questo acciaio sia caratterizzato da un basso contenuto di carbonio e manganese; alla matrice vengono invece aggiunti affinatori di grano tra cui niobio, titanio o vanadio. E' caratterizzato da una elevata resistenza e tenacità che lo rende adatto per applicazione come chassis, corone e macchine per il movimento a terra (sottocarri). Composizione chimica Domex 700 Carbon, C 0.12 % Manganese, Mn 2.10 % Phosphorous, P 0.025 % Sulfur, S 0.010 % Silicon, Si 0.10 % Alluminium, Al 0,015% Niobium, Nb 0,09% Vanadium, V 0,20% Titanium, Ti 0,15% “Tabella n. 3.8 composizione chimica Domex 700” 54 ο§ Class I Type A Ni-Cr-HC Martensitic White Cast Iron Ghise bianche martensitiche con un basso contenuto di cromo, utilizzate per applicazioni ad usura abrasiva che interessano frantoi, mulini per la macinazione e sistemi di sollevamento di materiali abrasivi; indicate per quelle applicazioni che hanno come requisito primario la resistenza a fenomeni di usura abrasiva. Durezza ο 550 HB - per getto fuso in sabbia (stato di consegna commerciale) Composizione chimica Class I Type A Ni-Cr-HC Martensitic White Cast Iron Carbon, C 3.0 - 3.6 % Chromium, Cr 1.4 - 4.0 % Iron, Fe 86% Manganese, Mn <= 1.3 % Molybdenum, Mo <= 1.0 % Nickel, Ni 3.3 - 5.0 % Phosphorous, P <= 0.30 % Silicon, Si <= 0.80 % Sulfur, S <= 0.15 % “Tabella n. 3.9 composizione chimica ghisa bianca martensitica class I type A ” 55 ο§ Class I Type B Ni-Cr-LC Martensitic White Cast Iron Ghise bianche martensitiche con un basso contenuto di cromo, utilizzate per applicazioni ad usura abrasiva che interessano frantoi, mulini per la macinazione e sistemi di sollevamento di materiali abrasivi; indicate per applicazioni che prevedono condizioni di impatto ripetute; la minor presenza di carburi conferisce al materiale una maggior durezza. Durezza ο 550 HB – per getto fuso in sabbia (stato di consegna commerciale) Composizione chimica Class I Type B Ni-Cr-LC Martensitic White Cast Iron Carbon, C 2.5 - 3.0 % Chromium, Cr 1.4 - 4.0 % Iron, Fe 87% Manganese, Mn <= 1.3 % Molybdenum, Mo <= 1.0 % Nickel, Ni 3.3 - 5.0 % Phosphorous, P <= 0.30 % Silicon, Si <= 0.80 % Sulfur, S <= 0.15 % “Tabella n. 3.10 composizione chimica ghisa bianca martensitica class I type B ” 56 ο§ Class I Type C Ni-Cr-GB Martensitic White Cast Iron Ghise bianche martensitiche con un basso contenuto di cromo, utilizzate per applicazioni ad usura abrasiva che interessano frantoi, mulini per la macinazione e sistemi di sollevamento di materiali abrasivi; indicate per applicazioni dove è richiesta resistenza all'usura e all'impatto. Durezza ο 550 HB - per getto fuso in sabbia (stato di consegna commerciale) Composizione chimica Class I Type C Ni-Cr-GB Martensitic White Cast Iron Carbon, C 2.9 - 3.7 % Chromium, Cr 1.1 - 1.5 % Iron, Fe 88% Manganese, Mn <= 1.3 % Molybdenum, Mo <= 1.0 % Nickel, Ni 2.7 - 4.0 % Phosphorous, P <= 0.30 % Silicon, Si <= 0.80 % Sulfur, S <= 0.15 % “Tabella n. 3.11 composizione chimica ghisa bianca martensitica class I type C ” 57 ο§ Class I Type D Ni-Hi-Cr Martensitic White Cast Iron Ghise bianche martensitiche con un basso contenuto di cromo, utilizzate per applicazioni ad usura abrasiva che interessano frantoi, mulini per la macinazione e sistemi di sollevamento di materiali abrasivi; lega Ni-Cr modificata che contiene un più elevato tenore di cromo. Per percentuali di Carbonio comprese tra 3.2 – 3.6, si tratta di u materiale indicato per applicazioni abrasive; se il contenuto di Carbonio cade all’interno dell’intervallo 2.5 – 3.2, la lega presenza una maggior durezza e quindi resistenza all’impatto. Durezza ο 550 HB - per getto fuso in sabbia (stato di consegna commerciale) Composizione chimica Class I Type D Ni-Hi-Cr Martensitic White Cast Iron Carbon, C 2.5 - 3.6 % Chromium, Cr 7.0 - 11 % Iron, Fe 78% Manganese, Mn <= 1.3 % Molybdenum, Mo <= 1.0 % Nickel, Ni 5.0 - 7.0 % Phosphorous, P <= 0.10 % Silicon, Si 1.0 - 2.2 % Sulfur, S <= 0.15 % “Tabella n. 3.12 composizione chimica ghisa bianca martensitica class I type D ” 58 ο§ Class II Type A 12% Cr Martensitic White Cast Iron Ghise bianche martensitiche con un elevato contenuto di cromo sono caratterizzate da un’elevata resistenza all’usura e all’impatto ed utilizzate per applicazioni che interessano sistemi di macinazione, componenti per cave, estrazione e movimentazione di roccia dura; offrono la miglior combinazione tra resistenza all’usura abrasiva e durezza. L’aggiunta di Mo conferisce una maggior durezza. Durezza ο 550 HB - per getto fuso in sabbia (stato di consegna commerciale) Composizione chimica Class II Type A 12% Cr Martensitic White Cast Iron Carbon, C 2.4 - 2.8 % Chromium, Cr 11 - 14 % Copper, Cu <= 1.2 % Iron, Fe 80% Manganese, Mn 0.50 - 1.5 % Molybdenum, Mo 0.50 - 1.0 % Nickel, Ni <= 0.50 % Phosphorous, P <= 0.10 % Silicon, Si <= 1.0 % Sulfur, S <= 0.060 % “Tabella n. 3.13 composizione chimica ghisa bianca martensitica class II type A ” 59 ο§ Class II Type B 15% Cr-Mo-LC Martensitic White Cast Iron Ghise bianche martensitiche con un elevato contenuto di cromo sono caratterizzate da un’elevata resistenza all’usura e all’impatto ed utilizzate per applicazioni che interessano sistemi di macinazione, componenti per cave, estrazione e movimentazione di roccia dura; offrono la miglior combinazione tra resistenza all’usura abrasiva e durezza. L’aggiunta di Mo conferisce una maggior durezza. Durezza ο 450 HB - per getto fuso in sabbia (stato di consegna commerciale) Composizione chimica Class II Type B 15% Cr-Mo-LC Martensitic White Cast Iron Carbon, C 2.4 - 2.8 % Chromium, Cr 14 - 18 % Copper, Cu <= 1.2 % Iron, Fe 76% Manganese, Mn 0.50 - 1.5 % Molybdenum, Mo 1.0 - 3.0 % Nickel, Ni <= 0.50 % Phosphorous, P <= 0.10 % Silicon, Si <= 1.0 % Sulfur, S <= 0.060 % “Tabella n. 3.14 composizione chimica ghisa bianca martensitica class II type B ” 60 ο§ Class II Type C 15% Cr-Mo-HC Martensitic White Cast Iron Ghise bianche martensitiche con un elevato contenuto di cromo sono caratterizzate da un’elevata resistenza all’usura e all’impatto ed utilizzate per applicazioni che interessano sistemi di macinazione, componenti per cave, estrazione e movimentazione di roccia dura; offrono la miglior combinazione tra resistenza all’usura abrasiva e durezza. L’aggiunta di Mo conferisce una maggior durezza. Durezza ο 550 HB - per getto fuso in sabbia (stato di consegna commerciale) Composizione chimica Class II Type C 15% Cr-Mo-HC Martensitic White Cast Iron Carbon, C 2.8 - 3.6 % Chromium, Cr 14 - 18 % Copper, Cu <= 1.2 % Iron, Fe 74% Manganese, Mn 0.50 - 1.5 % Molybdenum, Mo 2.3 - 3.5 % Nickel, Ni <= 0.50 % Phosphorous, P <= 0.10 % Silicon, Si <= 1.0 % Sulfur, S <= 0.060 % “Tabella n. 3.15 composizione chimica ghisa bianca martensitica class II type C ” 61 ο§ Class II Type D 20% Cr-Mo-LC Martensitic White Cast Iron Ghise bianche martensitiche con un elevato contenuto di cromo sono caratterizzate da un’elevata resistenza all’usura e all’impatto ed utilizzate per applicazioni che interessano sistemi di macinazione, componenti per cave, estrazione e movimentazione di roccia dura; offrono la miglior combinazione tra resistenza all’usura abrasiva e durezza. L’aggiunta di Mo conferisce una maggior durezza. Durezza ο 450 HB - per getto fuso in sabbia (stato di consegna commerciale) Composizione chimica Class II Type D 20% Cr-Mo-LC Martensitic White Cast Iron Carbon, C 2.0 - 2.6 % Chromium, Cr 18 - 23 % Copper, Cu <= 1.2 % Iron, Fe 70% Manganese, Mn 0.50 - 1.5 % Molybdenum, Mo <= 1.5 % Nickel, Ni <= 1.5 % Phosphorous, P <= 0.10 % Silicon, Si <= 1.0 % Sulfur, S <= 0.060 % “Tabella n. 3.16 composizione chimica ghisa bianca martensitica class II type D ” 62 ο§ Class II Type E 20% Cr-Mo-HC Martensitic White Cast Iron Ghise bianche martensitiche con un elevato contenuto di cromo sono caratterizzate da un’elevata resistenza all’usura e all’impatto ed utilizzate per applicazioni che interessano sistemi di macinazione, componenti per cave, estrazione e movimentazione di roccia dura; offrono la miglior combinazione tra resistenza all’usura abrasiva e durezza. L’aggiunta di Mo conferisce una maggior durezza. Durezza ο 450 HB - per getto fuso in sabbia (stato di consegna commerciale) Composizione chimica Class II Type E 20% Cr-Mo-HC Martensitic White Cast Iron Component Elements Properties Metric Carbon, C 2.6 - 3.2 % Chromium, Cr 18 - 23 % Copper, Cu <= 1.2 % Iron, Fe 70% Manganese, Mn 0.50 - 1.5 % Molybdenum, Mo 1.0 - 2.0 % Nickel, Ni <= 1.5 % Phosphorous, P <= 0.10 % Silicon, Si <= 1.0 % Sulfur, S <= 0.060 % “Tabella n. 3.17 composizione chimica ghisa bianca martensitica class II type E ” 63 ο§ Class III Type E 25% Cr Martensitic White Cast Iron Lega di Cr in una matrice a base di Mo, estremamente dura che può raggiungere 600 HB, adatta per applicazioni dove il componente è particolarmente soggetto ad usura. Durezza ο 450 HB - per getto fuso in sabbia (stato di consegna commerciale) Composizione chimica Class III Type E 25% Cr Martensitic White Cast Iron Carbon, C 2.3 - 3.0 % Chromium, Cr 23 - 28 % Copper, Cu <= 1.2 % Iron, Fe 65% Manganese, Mn 0.50 - 1.5 % Molybdenum, Mo <= 1.5 % Nickel, Ni <= 1.5 % Phosphorous, P <= 0.10 % Silicon, Si <= 1.0 % Sulfur, S <= 0.060 % “Tabella n. 3.18 composizione chimica ghisa bianca martensitica class III type E ” 64 ο§ Class III Type A 28% Cr Martensitic White Cast Iron Ghisa bianca martensitica adatta ad applicazioni che richiedono un’elevata resistenza ad usura. Durezza ο 600 HB Composizione chimica Class III Type A 28% Cr Martensitic White Cast Iron Carbon, C 2.9 % Chromium, Cr 28 % Manganese, Mn 1.5 % Molybdenum, Mo 3.0 % Nickel, Ni 2.5 % Phosphorous, P - Silicon, Si 1.5 % Sulfur, S - “Tabella n. 3.19 composizione chimica ghisa bianca martensitica class III type E ” 65 ο§ Cobalt 6BH Lega resistente a diversi tipi di usura, laminato a caldo e poi indurito. Particolarmente interessante nelle applicazioni che richiedono elevata resistenza ad usura e corrosione; tende a mantenere il suo angolo di taglio . Durezza ο 415 HB Composizione chimica Cobalt 6BH Carbon, C 0.90 - 1.4 % Chromium, Cr 28 - 32 % Cobalt, Co 50 - 67 % Iron, Fe <= 3.0 % Manganese, Mn <= 2.0 % Molybdenum, Mo <= 1.5 % Nickel, Ni <= 3.0 % Tungsten, W 3.5 - 5.5 % “Tabella n. 3.20 composizione chimica Cobalt 6BH ” 66 ο§ Crucible Steel CPM® 10V® (AISI A11) Tool Steel CPM 10V è un nuovo e unico acciaio prodotto con il processo di metallurgia delle polveri Crucible Particle Metallurgy. E' stato progettato su una analisi di base di un acciaio tenace temprante in aria con un’aggiunta di alti valori di carbonio e vanadio per raggiungere un’eccezionale resistenza all’usura, tenacità e resistenza per applicazioni nelle lavorazioni a freddo e a semicaldo. L’eccezionale resistenza all’usura e buona tenacità del CPM 10V ne fanno un eccellente candidato per rimpiazzare il metallo duro o altri materiali resistenti all’usura nelle lavorazioni a freddo, particolarmente quando l’utensile deve possedere caratteristiche di tenacità con elevate caratteristiche di resistenza all’usura. Durezza ο 255 – 277 HB – ricotto Composizione chimica Crucible Steel CPM® 10V® (AISI A11) Tool Steel Carbon, C 2.45 % Chromium, Cr 5.25 % Iron, Fe 81.25 % Molybdenum, Mo 1.3 % Vanadium, V 9.75 % “Tabella n. 3.21 composizione chimica AISI A11 ” 67 ο§ Crucible Steel CPM® 9V® Tool Steel CPM 9V È un nuovo e unico acciaio prodotto con il processo di metallurgia delle polveri: Crucible Particle Metallurgy. E' una modifica del CPM 10V con contenuto di Carbonio e Vanadio inferiori, queste modifiche gli conferiscono una ottima tenacità e resistenza alle cricche da fatica termica. Queste proprietà permettono al CPM 9V di essere utilizzato in applicazioni dove gli acciai come il CPM 10V, acciai alto-legati al C e al Cr o acciai superrapidi hanno una consistente perdita di tenacità o resistenza alle cricche da fatica termica, e dove gli acciai per utensili per lavorazione a caldo hanno una bassa resistenza all’usura. Durezza ο 223 - 255 HB - ricotto Composizione chimica Crucible Steel CPM® 9V® Tool Steel Carbon, C 1.9 % Chromium, Cr 5.25 % Iron, Fe 82.45 % Molybdenum, Mo 1.3 % Vanadium, V 9.1 % “Tabella n. 3.22 composizione chimica CPM 9V ” 68 ο§ Crucible Steel CPM® Rex M4 HC(HS) Tool Steel È un acciaio superrapido sviluppato specialmente per soddisfare le maggiori richieste. E’ stato concepito per provvedere alle esigenze d’alta resistenza all’usura e alla stabilità del tagliente negli utensili. Il suo alto contenuto di vanadio e carbonio lo rende particolarmente adatto, nelle operazioni di tranciatura e di formatura dei metalli, così come anche nell’utilizzo delle operazioni d’asportazione di truciolo, aumentandone la qualità della vita dell’utensile e le prestazioni di taglio. Durezza ο 225 – 255 HB – ricotto Composizione chimica Crucible Steel CPM® Rex M4 HC(HS) Tool Steel - HSS Carbon, C 1.42 % Chromium, Cr 4.0 % Iron, Fe 79.47 % Magnesium, Mg 0.30 - 0.70 % Molybdenum, Mo 5.25 % Sulfur, S 0.060 - 0.22 % Tungsten, W 5.5 % Vanadium, V 4.0 % “Tabella n. 3.23 composizione chimica CPM Rex M4 HC ” 69 ο§ Carpenter Four Star High Speed Steel Red-Wear® (AISI M4) – HSS Acciaio super rapido con un elevato contenuto di carbonio e vanadio che gli conferiscono un grado elevato di resistenza all'usura e un'elevata resistenza. Durezza ο 225 - 255 HB - ricotto Composizione chimica Carpenter Four Star High Speed Steel Red-Wear® (AISI M4) - HSS Carbon, C 1.3 % Chromium, Cr 4.5 % Iron, Fe 79.6 % Manganese, Mn 0.30 % Molybdenum, Mo 4.5 % Silicon, Si 0.30 % Tungsten, W 5.5 % Vanadium, V 4.0 % “Tabella n. 3.24 composizione chimica AISI M4 ” 70 ο§ Industeel CREUSABRO® 4800 Advanced Technology in Wear Steel Il CREUSABRO® 4800 offre una resistenza eccezionale all'abrasione, superiore del 50% a quella di un acciaio temprato in acqua per 400HB. Le sue componenti e la sua struttura influiscono fortemente sulle sue prestazioni. L'equilibrio chimico ed il processo di fabbricazione conferiscono una struttura metallurgica che contribuisce fortemente al miglioramento della sua tenuta all'abrasione. Il CREUSABRO® 4800 gode di una capacità supplementare di deformazione plastica sotto l'effetto degli urti. Questa duttilità extra conduce ad un ritardo del distacco delle particelle metalliche che contribuisce ad una più lenta usura rispetto agli acciai 400HB convenzionali. Con una aggiunta significativa di Titanio si ottiene una struttura estremamente compatta di particelle fini molto dure, i carburi di Titanio, TiC, la cui durezza si approssima ai 3000HV. Tali carburi conferiscono all'acciaio una maggior resistenza all'usura. Applicazioni: cementifici, attrezzatura mineraria e per movimento terra, produzione acciaio, impianti di recupero e riciclaggio. Durezza ο 400 - 430 HB Composizione chimica Industeel CREUSABRO® 4800 Advanced Technology in Wear Steel Carbon, C <= 0.20 % Chromium, Cr <= 1.9 % Iron, Fe 95.477 - 99.8 % Manganese, Mn <= 1.6 % Molybdenum, Mo <= 0.40 % Nickel, Ni 0.20 % Phosphorous, P <= 0.018 % Sulfur, S <= 0.0050 % Titanium, Ti <= 0.20 % “Tabella n. 3.25 composizione chimica CREUSABRO 4800” 71 ο§ Industeel CREUSABRO® 8000 High Performance Wear Resistant Steel I componenti in CREUSABRO ® 8000 β resistono all’abrasione più di ogni altro componente della medesima classe di durezza grazie alla presenza di microcarburi durissimi nella loro matrice ad alla loro capacità di auto-indurimento in esercizio. Sono pertanto lavorabili allo stato di fornitura per poi opporsi ai fenomeni abrasivi aumentando la loro durezza sotto l’effetto degli urti continui. Questo acciaio sviluppa un nuovo fenomeno metallurgico rivoluzionario: l’effetto TRIP (TRasformazione Indotta per Plasticità). Grazie a questo effetto gli atomi metallici si riallineano spontaneamente nelle zone affette da tensioni localizzate, permettendo così all’acciaio di meglio lottare contro l’aggressione abrasiva. Nelle miniere le lamiere in CREUSABRO® 8000 sono utilizzate per la costruzione di impianti di frantumazione, coclee e tramogge. Nelle cave e nei cementifici si realizzano lame di benna, cicloni, scivoli, vagli piani e rotativi, fondi di miscelatori, draghe. Durezza ο 430 - 500 HB Composizione chimica Industeel CREUSABRO® 8000 High Performance Wear Resistant Steel Carbon, C <= 0.28 % Chromium, Cr <= 1.6 % Iron, Fe <= 99.4 % Manganese, Mn <= 1.6 % Molybdenum, Mo >= 0.20 % Nickel, Ni 0.40 % Sulfur, S <= 0.0020 % “Tabella n. 3.26 composizione chimica CREUSABRO 8000” 72 ο§ Industeel CREUSABRO® M Wear Resistant Steel Si tratta di un materiale che tende ad incrudire sotto sforzo, interamente austenitico, temprato e ricotto e amagnetico. La sua durezza può di fatto aumentare da 200HB a 600 HB durante la lavorazione. E' in grado di resistere molto bene ad urti ed impatti e presenta inoltre una buona duttilità, anche a cuore, dove il materiale non viene incrudito durante l'esercizio. Durezza ο 200 - 600 HB Composizione chimica Industeel CREUSABRO® M Wear Resistant Steel Carbon, C 1.15 % Iron, Fe 85.448 - 85.45 % Manganese, Mn 13% Silicon, Si 0.40 % Sulfur, S <= 0.0020 % “Tabella n. 3.27 composizione chimica CREUSABRO M Wear Resistant Steel” 73 ο§ Latrobe LSS™ A7 Mod. Wear-Resistant Tool Steel (ASTM A7 Mod.) Materiale caratterizzato da un'elevata resistenza all'usura, grazie all'elevato contenuto di carbonio e vanadio. Tali carburi conferiscono al materiale una durezza di circa 80 – 85 Rockwell. Il materiale è in grado di resistere molto bene ad usura per abrasione. Viene tipicamente utilizzato per applicazioni di tipo wear liners. Durezza ο 80 – 85 HRC Composizione chimica Latrobe LSS™ A7 Mod. Wear-Resistant Tool Steel (ASTM A7 Mod.) Carbon, C 2.6 % Chromium, Cr 8.25 % Iron, Fe 82,545% Manganese, Mn 0.60 % Molybdenum, Mo 1.2 % Silicon, Si 0.30 % Sulfur, S <= 0.0050 % Vanadium, V 4.5 % “Tabella n. 3.28 composizione chimica ASTM A7 Mod.” 74 ο§ Latrobe LSS™ D7 Tool Steel (ASTM D7) Materiale caratterizzato da un'elevata resistenza all'usura, grazie all'elevato contenuto di carbonio e vanadio. Tali carburi conferiscono al materiale una durezza di circa 80 – 85 Rockwell. Il materiale è in grado di resistere molto bene ad usura per abrasione. Viene tipicamente utilizzato per applicazioni di tipo wear liners. Durezza ο 80 – 85 HRC Composizione chimica Latrobe LSS™ D7 Tool Steel (ASTM D7) Carbon, C 2.3 % Chromium, Cr 12.5 % Iron, Fe 79.3 % Manganese, Mn 0.40 % Molybdenum, Mo 1.1 % Silicon, Si 0.40 % Vanadium, V 4.0 % “Tabella n. 3.29 composizione chimica ASTM D7” 75 ο§ Mn 12 Gli acciai da cementazione legati contengono alcuni elementi caratterizzanti che conferiscono caratteristiche diverse in funzione delle applicazioni. Dopo la lavorazione meccanica, la cementazione e la tempra, solitamente fatta in olio, questi acciai presentano caratteristiche di elevata durezza superficiale e di notevole tenacità a cuore. Al crescere degli elementi di lega aumenta la temprabilità, quindi è possibile ottenere strutture trasformate a cuore in pezzi via via più grandi. In particolare il cromo tende ad aumentare la durezza a cuore, mentre il nickel migliora la tenacità e la resistenza agli urti; utilizzato per realizzare generalmente martelli; mascelle per impiego gravoso. Durezza ο 500 HVC - in esercizio Composizione chimica Mn 12 Carbon, C 1.10 - 1.35 % Manganese, Mn 11.5 - 14.5 % Chromium, Cr 0.80 % “Tabella n. 3.30 composizione chimica Mn12” 76 ο§ Mn X Gli acciai da cementazione legati contengono alcuni elementi caratterizzanti che conferiscono caratteristiche diverse in funzione delle applicazioni. Dopo la lavorazione meccanica, la cementazione e la tempra, solitamente fatta in olio, questi acciai presentano caratteristiche di elevata durezza superficiale e di notevole tenacità a cuore. Al crescere degli elementi di lega aumenta la temprabilità, quindi è possibile ottenere strutture trasformate a cuore in pezzi via via più grandi. In particolare il cromo tende ad aumentare la durezza a cuore, mentre il nickel migliora la tenacità e la resistenza agli urti. La caratteristica vincente di questo materiale è di possedere la tenacità tipica dell’acciaio MnCr12.2 associata alla presenza di una fine ed omogenea dispersione di fasi dure, con una durezza di circa 3000HV; impiegato per realizzare martelli , corazze , mascelle, coni giratori , ripiani. Durezza ο 700 HVC - in esercizio Composizione chimica Mn X Carbon, C 1.20 - 1.50 % Manganese, Mn 11.5 - 14.5 % Chromium, Cr 0.80 % “Tabella n. 3.31 composizione chimica Mn X” 77 ο§ MnCr 12.2 Gli acciai da cementazione legati contengono alcuni elementi caratterizzanti che conferiscono caratteristiche diverse in funzione delle applicazioni. Dopo la lavorazione meccanica, la cementazione e la tempra, solitamente fatta in olio, questi acciai presentano caratteristiche di elevata durezza superficiale e di notevole tenacità a cuore. Al crescere degli elementi in lega aumenta la temprabilità, quindi è possibile ottenere strutture trasformate a cuore in pezzi via via più grandi. In particolare il cromo tende ad aumentare la durezza a cuore, mentre il nickel migliora la tenacità e la resistenza agli urti; per la realizzazione di martelli , corazze, mascelle , coni, ripiani. Durezza ο 600 HVC - in esercizio Composizione chimica MnCr 12.2 Carbon, C 1.10 - 1.35 % Manganese, Mn 11.5 - 14.5 % Chromium, Cr 1-2% “Tabella n. 3.32 composizione chimica MnCr 12.2” 78 ο§ MnCr 18.2 Gli acciai da cementazione legati contengono alcuni elementi caratterizzanti che conferiscono caratteristiche diverse in funzione delle applicazioni. Dopo la lavorazione meccanica, la cementazione e la tempra, solitamente fatta in olio, questi acciai presentano caratteristiche di elevata durezza superficiale e di notevole tenacità a cuore. Al crescere degli elementi di lega aumenta la temprabilità, quindi è possibile ottenere strutture trasformate a cuore in pezzi via via più grandi. In particolare il cromo tende ad aumentare la durezza a cuore, mentre il nickel migliora la tenacità e la resistenza agli urti. Acciaio con ottime caratteristiche di antiusura e resistenza alle deformazioni; si trova in applicazioni come martelli primari e secondari, mascelle, coni giratori. Durezza ο 600 HVC - in esercizio Composizione chimica MnCr 18.2 Carbon, C 1.20 - 1.35 % Manganese, Mn 16 - 18 % Chromium, Cr 1-2% “Tabella n. 3.33 composizione chimica MnCr 18.2” 79 ο§ MnCr 20.3 Gli acciai da cementazione legati contengono alcuni elementi caratterizzanti che conferiscono caratteristiche diverse in funzione delle applicazioni. Dopo la lavorazione meccanica, la cementazione e la tempra, solitamente fatta in olio, questi acciai presentano caratteristiche di elevata durezza superficiale e di notevole tenacità a cuore. Al crescere degli elementi di lega aumenta la temprabilità, quindi è possibile ottenere strutture trasformate a cuore in pezzi via via più grandi. In particolare il cromo tende ad aumentare la durezza a cuore, mentre il nickel migliora la tenacità e la resistenza agli urti. Acciaio con ottime qualità antiusura per impiego specifico e massima resistenza all’usura per solcatura. Concilia elevate caratteristiche meccaniche alla massima durata; utilizzato per martelli per il riciclaggio di inerti, coni giratori, getti sottoposti ad abrasione ed a solcatura rilevanti. Durezza ο 600 HVC - in esercizio Composizione chimica MnCr 20.3 Carbon, C 1.35 - 1.50 % Manganese, Mn 18 - 21 % Chromium, Cr 1-2% “Tabella n. 3.34 composizione chimica MnCr 20.3” 80 ο§ MnMo 6.1 Gli acciai da cementazione legati contengono alcuni elementi caratterizzanti che conferiscono caratteristiche diverse in funzione delle applicazioni. Dopo la lavorazione meccanica, la cementazione e la tempra, solitamente fatta in olio, questi acciai presentano caratteristiche di elevata durezza superficiale e di notevole tenacità a cuore. Al crescere degli elementi di lega aumenta la temprabilità, quindi è possibile ottenere strutture trasformate a cuore in pezzi via via più grandi. In particolare il cromo tende ad aumentare la durezza a cuore, mentre il nickel migliora la tenacità e la resistenza agli urti. Acciaio con massimo incrudimento superficiale negli impieghi con scarsa energia d’urto. Quindi, adatto alla frantumazione di materiale friabile e di piccola pezzatura; generalmente impiegati in coni giratori, mascelle e martelli. Durezza ο 700 HV - in esercizio Composizione chimica MnMo 6.1 Carbon, C 1.10 - 1.30 % Molybdnenum, Mo 0.80 – 1.20 % Manganese, Mn 6-8% Chromium, Cr 0.60 - 1.2 % “Tabella n. 3.35 composizione chimica MnMo 6.1” 81 ο§ MnNi 12.2 Gli acciai da cementazione legati contengono alcuni elementi caratterizzanti che conferiscono caratteristiche diverse in funzione delle applicazioni. Dopo la lavorazione meccanica, la cementazione e la tempra, solitamente fatta in olio, questi acciai presentano caratteristiche di elevata durezza superficiale e di notevole tenacità a cuore. Al crescere degli elementi di lega aumenta la temprabilità, quindi è possibile ottenere strutture trasformate a cuore in pezzi via via più grandi. In particolare il cromo tende ad aumentare la durezza a cuore, mentre il nickel migliora la tenacità e la resistenza agli urti; impiegato per la realizzazione di piastre e cunei laterali . Durezza ο 600 HV - in esercizio Composizione chimica MnNi 12.2 Molibdenum, Mo 0.8 – 1.2 % Carbon, C 0.95 - 1.25 % Manganese, Mn 11.5 - 14 % Chromium, Cr 14% Nichel, Ni 1.4 - 2.4% “Tabella n. 3.36 composizione chimica MnNi 12.2” 82 ο§ Roc 321 Le lamiere in ROC 321 sono laminate a caldo su treno quarto (laminatoio a duo con doppio cilindro per evitare deformazioni della barra) e normalizzate durante la laminazione. La particolare purezza dell’acciaio, il grano austenitico fine ed il trattamento termico appositamente studiato, conferiscono a queste lamiere buone caratteristiche meccaniche ed una resistenza all’abrasione che rappresenta un compromesso ottimale tra durata in esercizio e difficoltà di messa in opera. Tra le più comuni applicazioni troviamo le lamiere forate per vagli piani e rotativi, scivoli e tramogge, betoniere, pale di ventilatori, lame di benna. Durezza ο 280 - 360 HB Composizione chimica ROC 321 Carbon, C <= 0.23 % Chromium, Cr <= 1.60 % Manganese, Mn <= 1.70 % Silicon, Si < = 0.70% Sulfur, S < = 0.035 % Phosphorous, P < = 0.035 % “Tabella n. 3.37 composizione chimica ROC 321” 83 ο§ Roc Mn Le lamiere in ROC Mn sono prodotte partendo da bramme colate in forno elettrico, laminate a caldo su treno quarto e successivamente bonificate. L’utilizzo di ferroleghe di manganese vergini e la bonifica d’austenitizzazione particolarmente curata, garantiscono la speciale attitudine all’indurimento sotto urto di questo acciaio. L’elevato contenuto di manganese conferisce a questo acciaio la caratteristica di indurirsi sotto urti violenti. Può quindi essere utilizzato per la realizzazione di corazze di mulini, scivoli di caduta, piastre di magneti, parti interne di sabbiatrici e granigliatrici. Durezza ο 400 HB Composizione chimica ROC Mn Carbon, C <= 1.30 % Chromium, Cr <= 1.50 % Manganese, Mn <= 13 % Silicon, Si < = 0.50% Sulfur, S < = 0.04 % Phosphorous, P < = 0.04 % “Tabella n. 3.38 composizione chimica ROC Mn” 84 ο§ Vanadis 23 Polvere metallica che consente di combinare elevata resistenza all'usura e tenacità; acciaio ad elevata resistenza ad usura adesiva - abrasiva e alla deformazione plastica, adatto principalmente ad applicazioni di taglio tra cui alesatori, punte di perforazione, frese. Durezza ο 260 HB - ricotto Composizione chimica Vanadis 23 Carbon, C 1.28 % Chromium, Cr 4.2 % Molybdenum, Mo 5.0 % Tungsten, W 6.4 % Vanadium, V 3.1 % “Tabella n. 3.39 composizione chimica Vanadis 23” 85 ο§ HARDOX 400 Acciaio utilizzato in caso di elevata resistenza all'usura e buona tenacità. Durezza ο 400HB Composizione chimica – analisi di colata HARDOX 400 Carbon, C 0.32 % Silicon, Si 0.70 % Manganese, Mn 1.60 % Phosphorous, P 0.025 % Sulfur, S 0.0.10 % Chromium, Cr 1.40 % Nichel, Ni 1.50 % Molybdenum, Mo 0.60 % Boron, B 0.004 % “Tabella n. 3.40 composizione chimica HARDOX 400” 86 ο§ HARDOX 450 Particolarmente adatto in quelle situazioni dove è richiesta una buona resistenza all'usura in combinazione a buone proprietà di deformazione; tra le principali applicazioni si trovano mulini, benne, utensili da taglio, convogliatori, sprockets, taglienti. Durezza ο 450HB Composizione chimica – analisi di colata HARDOX 450 Carbon, C 0.26 % Silicon, Si 0.70 % Manganese, Mn 1.60 % Phosphorous, P 0.025 % Sulfur, S 0.0.10 % Chromium, Cr 1.40 % Nichel, Ni 1.00 % Molybdenum, Mo 0.60 % Boron, B 0.004 % “Tabella n. 3.41 composizione chimica HARDOX 450” 87 ο§ HARDOX 500 Utilizzato in caso di necessità di grado elevato di resistenza all'usura. Impiegato per la realizzazione di frantoi, convogliatori, alimentatori, taglienti, utensili da taglio, sprockets, benne. Durezza ο 500HB Composizione chimica – analisi di colata HARDOX 500 Carbon, C 0.30 % Silicon, Si 0.70 % Manganese, Mn 1.60 % Phosphorous, P 0.025 % Sulfur, S 0.0.10 % Chromium, Cr 1.50 % Nichel, Ni 1.50 % Molybdenum, Mo 0.60 % Boron, B 0.004 % “Tabella n. 3.42 composizione chimica HARDOX 500” 88 Percentuale di materie prime critiche negli acciai alto resistenziali utilizzati nei componenti ad usura oggetto di interesse di questo lavoro di tesi: TIPO di ACCIAIO Elemento Percentuale (%) Percentuale (%) Percentuale (%) Percentuale (%) Percentuale (%) 27MnCrB5 20MnCr5 16CrNi4 16MnCr5 18NiCrMo5 GHISE BIANCHE MARTENSITICHE Class I Type A Ni-Cr-HC Class I Type B Ni-Cr-LC Class I Type C Ni-Cr-GB Class I Type D Ni-Hi-Cr Class II Type A 12% Cr Class II Type B 15% CrMo-LC Class II Type C 15% CrMo-HC Class II Type D 20% CrMo-LC Class II Type E 20% CrMo-HC Class III Type E 25% Cr Class III Type A 28% Cr Elemento Percentuale (%) Percentuale (%) Percentuale (%) Percentuale (%) Percentuale (%) MATERIE PRIME CRITICHE Mn Cr Ni TOTALE CRM 1.10 ÷ 1.40 0.30 ÷ 0.60 1,7 1.10 ÷ 1.40 1.00 ÷ 1.30 2,4 0.70 ÷ 1.00 0.80 ÷ 1.10 0.80 ÷ 1.10 3,7 1 ÷ 1.3 0.80 ÷ 1.10 2,1 0.60 ÷ 0.90 0.70 ÷ 1.00 1.20 ÷ 1.50 4,3 MATERIE PRIME CRITICHE Mn Cr Ni Mo TOTALE CRM <= 1.3 1.4 ÷ 4.0 3.3 ÷ 5.0 <= 1.0 9,15 <= 1.3 1.4 ÷ 4.0 3.3 ÷ 5.0 <= 1.0 9,15 <= 1.3 1.1 ÷ 1.5 2.7 ÷ 4.0 <= 1.0 6,95 <= 1.3 7.0 ÷ 11 5.0 ÷ 7.0 <= 1.0 16,8 0.50 ÷ 1.5 11 ÷ 14 <= 0.50 0.50 ÷ 1.0 14,75 Percentuale (%) 0.50 ÷ 1.5 14 ÷ 18 <= 0.50 1.0 ÷ 3.0 18,25 Percentuale (%) 0.50 ÷ 1.5 14 ÷ 18 <= 0.50 2.3 ÷ 3.5 19,5 Percentuale (%) 0.50 ÷ 1.5 18 ÷ 23 <= 1.5 <= 1.5 Percentuale (%) 0.50 ÷ 1.5 18 ÷ 23 <= 1.5 1.0 ÷ 2.0 Percentuale (%) 0.50 ÷ 1.5 23 ÷ 28 <= 1.5 <= 1.5 25,9 24,5 29,5 Percentuale (%) 1.5 28 2.5 3.0 35 MATERIE PRIME CRITICHE ACCIAI RPIDI E SUPER RAPIDI Elemento Mn Cr W Mo V Co Ni TOTALE CRM AISI M4 – HSS Percentuale (%) 0.30 4.5 5.5 4.5 4 - - 18,8 AISI A11 Percentuale (%) - 5.25 - 1.3 9.75 - - 16,3 - 5.25 - 1.3 9.1 - - 15,65 - 4.0 5.5 5.25 4.0 - - 18,75 2.0 28 ÷ 32 3.5 ÷ 5.5 1.5 - 50 ÷ 67 3.0 95 Crucible Steel CPM® 9V® Tool Percentuale (%) Steel CPM 9V Crucible Steel CPM® Rex M4 Percentuale (%) HC(HS) Tool Steel COBALT 6BH Percentuale (%) 89 ACCIAIO EXTRA ALTO RESISTENZIALE DOMEX 700 LAMIERA IN ACCIAIO RESISTENRE ALL'USURA MATERIE PRIME CRITICHE Elemento Mn V Nb Percentuale (%) 2.10 0.20 0.09 TOTALE CRM 2,39 MATERIE PRIME CRITICHE Elemento Cr Mn Mo V Ni TOTLE CRM ASTM A7 Mod. Percentuale (%) 8.25 0.60 1.2 4.5 - 14,55 ASTM D7 Percentuale (%) 12.5 0.40 1.1 4.0 - 18 HARDOX 400 Percentuale (%) 1.40 1.60 0.60 - 1.50 5,1 HARDOX 450 Percentuale (%) 1.40 1.60 0.60 - 1.00 4,6 HARDOX 500 Percentuale (%) 1.50 1.60 0.60 - 1.50 5,2 POLVERE METALLICA Vanadis 23 COMPOSIZIONE CHIMICA Elemento Percentuale (%) Cr Mo W V TOTLE CRM 4.2 5.0 6.4 3.1 18,7 COMPOSIZIONE CHIMICA TIPO Elemento Cr Mn Mo Ni TOTALE CRM CREUSABRO® 4800 Percentuale (%) 1.9 1.6 <= 0.40 0.20 4,1 CREUSABRO® 8000 Percentuale (%) 1.6 1.6 >= 0.20 0.40 3,8 CREUSABRO® M Percentuale (%) - 13 - - 13 Mn 12 Percentuale (%) 0.80 11.5 ÷ 14.5 - - 13,8 Mn X Percentuale (%) 0.80 11.5 ÷ 14.5 - - 13,8 MnCr 12.2 Percentuale (%) 1÷2 11.5 ÷ 14.6 - - 14,5 MnCr 18.2 Percentuale (%) 1÷2 16 ÷ 18 - - 18,5 MnCr 20.3 Percentuale (%) 1÷2 18 ÷ 21 - - 21 MnMo 6.1 Percentuale (%) 0.60 ÷ 1.2 6÷8 - - 7,9 MnNi 12.2 Percentuale (%) 14 11.5 ÷ 14 0.80 ÷ 1.2 1.4 ÷ 2.4 29,9 Roc Mn Percentuale (%) 1.50 13 - - 14,5 Roc 321 Percentuale (%) 1.60 1.70 - - 3,3 90 Mettere in evidenzia la percentuale totale di materie prime critiche contenute negli acciai alto resistenziali potenzialmente o certamente impiegati nelle applicazioni ad usura che si vedranno nel seguito, è importante in quanto consente di comprendere quanto un materiale possa risultare effettivamente critico in termini di utilizzo a causa della presenza di queste risorse, che conferiscono allo stesso proprietà e caratteristiche meccaniche notevoli. Analizzando il funzionamento delle applicazioni, identificando i requisiti dei componenti per usura, valutando le caratteristiche e il comportamento in esercizio dei materiali attualmente impiegati per suddetti componenti è di fatto possibile comprendere e confrontare le soluzioni proposte dall’azienda con quelle ad oggi utilizzate, e quindi procedere alla loro sostituzione, garantendo e consentendo vantaggi anche e soprattutto in termini economici – legati alla riduzione della difficoltà nella reperibilità di leganti critici e ai benefici propri della ghisa. 91 92 CAPITOLO IV 4.1.Panoramica dei settori, dei macchinari e dei componenti costitutivi oggetto di analisi Il lavoro svolto durante il periodo di tirocinio si è prevalentemente concentrato e focalizzato sulla ricerca e l’analisi dei componenti costituivi le principali applicazioni, che riscuotono un interesse particolare per l’azienda e che rappresentano un potenziale elemento di sviluppo e di crescita per la stessa. L’obiettivo è stato quello di cercare di capire dove il prodotto realizzato e proposto dalla “Zanardi Fonderie S.p.A.” può essere considerato un valido sostituto, a parità di caratteristiche comportando vantaggi economici o con prestazioni maggiori che il cliente è disposto però a pagare a fronte di miglioramenti evidenti a livello globale della performance del componente in condizioni di utilizzo, partendo dalla valutazione delle condizioni di esercizio e dei requisiti dell’applicazione. Le informazioni che vengono riportate a tal proposito, sono parziali; data infatti la complessità dell’argomento è risultato difficile avere dati completi ed esaustivi, trattandosi per altro di un aspetto soggetto a continui e progressivi studi ed approfondimenti. Come già precedentemente affermato le applicazioni considerate fanno riferimento ai settori minerario e delle costruzioni; di seguito vengono riportati alcuni dei componenti esaminati, indicando per ciascuno di essi il materiale, certo o potenziale[XXVI] , utilizzato, proponendo, dove possibile, l’alternativa individuata. Le condizioni per una possibile sostituzione con i diversi gradi di ghisa ADI, dipendono e variano generalmente al variare delle caratteristiche del contesto applicativo, a seconda delle variabili che lo condizionano e dei requisiti di funzionamento, rendendo quindi necessaria la prova e la verifica sul campo di ogni singolo caso. XXVI Alcuni tra i materiali elencati derivano da deduzioni fatte sulla base delle caratteristiche e delle proprietà chimico – fisiche dei materiali che per certo posso essere associati ad un determinato componente, poiché indicato nella documentazione a diposizione. 93 4.1.1.Comportamento ad usura della ghisa ADI e confronto con i principali concorrenti Tipicamente, per quanto riguarda le capacità di resistenza all’usura, la ghisa ADI, a confronto con i principali concorrenti generalmente impiegati quali ghise bianche martensitiche (Cr - hard e Ni - hard), HARDOX 400 e Acciai al manganese (Mn), presenta un miglior comportamento che dipende non tanto dalla sua durezza quanto più dalla sua microstruttura [15]. “Figura n.4.1, fonte Zanardi Fonderie [15]” La figura 4.1 evidenzia come a parità di durezza la ghisa mostri una resistenza abrasiva superiore rispetto al materiale con cui è messa a confronto, ad esempio HARDOX 400, comportamento che si manifesta quando il contatto meccanico genera una pressione locale tale da deformare plasticamente il materiale, ciò comporta una trasformazione dell’Austenite instabile in Martensite, migliorando le performance ad usura. Il grado ADI WR[XXVII] è un nuovo grado di ghisa ADI sviluppato dalla fonderia accanto ai gradi tradizionalmente commercializzati[XXVIII], che è in grado di eguagliare e superare XXVII Materiale inventato dalla fonderia per ottenere la più alta resistenza all’usura abbinata ad una sufficiente resistenza all’impatto. 94 le proprietà tipiche di materiali quali ghise bianche legate o non – Ni - hard, Cr - hard o High Chromium based – o simili. La ghisa ADI WR presenta migliori prestazioni in termini di resistenza all’impatto, tenacità e lavorabilità grazie sostanzialmente all’assenza di carburi al termine del processo di colata. “Figura n.4.2 fonte “Zanardi Fonderie [15]” Il grafico mostra i risultati della ricerca svolta dall’azienda relativamente al comportamento ad usura abrasiva di diversi materiali campione a confronto con la ghisa ADI. La scelta del materiale a livello di prodotto finito non dipende tuttavia solamente dal comportamento ad usura ma anche e soprattutto da altre specifiche richieste per la particolare applicazione, come la resistenza all’impatto e la resistenza a fatica. XXVIII ADI 800, durezza 260 – 320; ADI 1000, durezza 300 – 360HB; ADI 1200, durezza 340 – 440 HB; ADI 1400, durezza 380 – 480; ADI 1600, durezza 402 – 512. 95 4.1.2.Applicazioni e componenti analizzati Di seguito vengono riportati i componenti che sono stati oggetto di analisi con le relative caratteristiche e proprietà; in grassetto vengono indicati i materiali attualmente in uso, in modo tale da distinguerli da quei materiali che sono invece stati individuati per analogia di caratteristiche chimico – fisiche e prestazioni[XXIX]. 4.1.2.1.Sistemi per la macinazione, la frantumazione e la miscelazione di inerti Mulini, frantoi e miscelatori caratterizzati da componenti che consentono di sminuzzare e frantumare materiale da costruzione di qualsiasi pezzatura e tipologia per l’edilizia stradale o l’arredo urbano. “Figura n.4.3: Mulino ad urto; componenti costitutivi: martelli e corazza di protezione – CIMMA.” XXIX La descrizione e la definizione di ciascuno dei materiali che vengono di seguito nominati è presente nel capitolo III;le note che vengono aggiunte in questa sede fanno riferimento alle modalità secondo cui per analogia i materiali non specificati dal singolo produttore ma comunque ritenuti adatti alle diverse applicazioni sono stati scelti. 96 Tra i principali elementi costituivi, che variano al variare della tipologia di mulino o frantoio: - Bracci di miscelazione; - Corazze per la macinazione; - Griglie di protezione - Mascelle; - Martelli; - Pale di miscelazione; - Piastre antiusura - Pettini per la macinazione; - Rotori; “Figura n.4.4: Mulino a martelli; componenti costitutivi : rotore, martelli, corazza e piastre di protezione della camera di frantumazione – Mem S.p.A.” 1. Bracci di miscelazione I bracci di miscelazione sono componenti a profilo ridotto per evitare l’accumulo di materiale all’interno del mulino. Le informazioni relative ai materiali utilizzati per tali componenti sono poche e vaghe; l’unica cosa certa è che vengono realizzati in materiale antiusura alto resistenziale e in Ghisa Sferoidale[XXX]. Con i dati a disposizione, attraverso ricerche incrociate, sono stati individuati alcuni possibili candidati quali: - Acciai al Mn ο acciai al manganese, poiché presentano elevate prestazioni in termini di resistenza agli impatti e all’usura, tra cui: o MnMo 6.1; o MnCr 20.3; o Mn 12; o Mn X; o MnCr 18.2; o Roc Mn; XXX Fonte: SI.CO.MA. 97 o Industeel CREUSABRO® M Wear Resistant Steel; o Industeel CREUSABRO® 4800 Advanced Technology in Wear Steel . Come possibili sostituti vengono indicati ADI 1050 e/o ADI 1200. 2. Pale di miscelazione Componenti dei miscelatori associati ai bracci di miscelazione; il loro compito è quello di far convogliare il materiale verso l’uscita del sistema in modo tale da accelerare il processo di scarico. La documentazione a disposizione afferma che “Figura n.4.5: pale e bracci di muscolazione, ORU” vengono principalmente realizzate in ghisa martensitica, Cr – Hard e Ni – Hard[XXXI]. Possibili materiali indicati come sostituti possono essere anche in questo caso ADI 1050 e/o ADI 1200. Sia per i bracci che per le pale di miscelazione, è possibile che sul componente vengano applicate piastre riportate su fusione per saldobrasature. 3. Corazze per la macinazione Corazzatura di macinazione dentata o liscia a settori fusi in lega antiusura ad alto tenore di cromo, facilmente sostituibili. “Figura n.4.6: Corazza mulino a martelli, CIMMA.” XXXI 98 Fonte : SI.CO.MA. e LIEBHERR-WERK BIBERACH GMBH. Sulla base dell’informazione ricavata direttamente dal costruttore - CIMMA [XXXII] - è possibile affermare che questi componenti sono realizzati in acciai ad alto tenore di manganese; tra quelli individuati: o Mn X; o Mn 12; o MnCr 12.2; o Roc Mn. o MnCr 18.2; o MnCr20.3; o MnNi 12.2; o Industeel CREUSABRO® M Wear Resistant Steel. Lo stesso costruttore, indica come materiale utilizzato per la realizzazione di corazze per mulini a martelli fissi, acciai ad elevato contenuto di cromo, ovvero ghise martensitiche Cr – Hard - Class II e Class III - e tra quelli individuati, ASTM DT e ASTM D7 Modificato, materiali che garantiscono una buona resistenza all’usura per abrasione. Una potenziale sostituzione può essere fatta con ADI 1400 e/o ADI 1600. 4. Griglia di protezione Per mulini ad impatto o a martelli, in lega antiusura; la presenza di questo componente consente, qualora fosse necessario ai fini applicativi, di controllare la pezzatura e la granulometria del materiale che viene frantumato e che esce dal sistema. “Figura n.4.7: Mulino ad impatto; componenti costitutivi: corazze, griglia e martelli - CIMMA” XXXII Mulini universali ad urto 99 In questo caso nessuna informazione esaustiva risultava essere reperibile per consentire la definizione e la scelta dei materiali, ma date le condizioni di impiego e la vasta gamma di prodotti nei quali sono impiegati, si sono individuati come possibili candidati: - HARDOX 400; - HARDOX 450; - HARDOX 500; - Ni – Hard ο Class I type A e C poiché generalmente indicate per quelle applicazioni che hanno come requisito primario un’elevata resistenza all’usura abrasiva. Altri potenziali materiali possono essere: - ASTM A7 Mod.; - ASTM D7; - Acciai al Mn ( ≥12%). 5. Mascelle e Martelli Si tratta di componenti di macinazione che hanno sostanzialmente la stessa funzione dei martelli, per i quali la letteratura a disposizione e le esperienze fatte durante il tirocinio forniscono delle indicazioni abbastanza esaustive a livello di materiali impiegati. Per associazione sono stati scelti quindi gli stessi materiali in entrambi i casi; si tratta di acciai che presentano sia una buona resistenza all’usura che all’impatto. “Figura n.4.8: Frantoio a mascelle – METSO” 100 - Cr – Hard ο ghise martensitiche con una durezza superiore ai 500 HB, tendenzialmente quindi Class II Type A e B; - Cr – Hard ο ghie martensitiche Class III Type E; - Cr – Hard ο senza particolari specificazioni; tuttavia possono ritenersi valide anche le ghise martensitiche di Class I Type A, B, C e D, presentando queste la stessa durezza della classe II di ghise bianche martensitiche indicate; - Acciai al Mn ο dato il tipo di applicazione è possibile e certo che il componente venga realizzato in un materiale resistente agli urti. Gli acciai al manganese sono tali da consentire un incrudimento superficiale del componente durante il suo utilizzo, garantendo quindi in questo modo una migliore prestazione del componente stesso ed una sua maggior durata. o Mn 12; o Mn X; o MnCr 12.2; o MnCr 18.2; o MnMo 6.1; o Roc Mn. - HARDOX 400; In termini di sostituibilità, sono state proposte delle soluzioni in ADI al fine di soddisfare i requisiti propri del componente. Dal momento che il fenomeno di usura come già più volte sottolineato dipende dalle condizioni di esercizio della singola applicazione, rendendo di fatto difficile una generalizzazione delle considerazioni fatte caso per caso, è possibile che per situazioni e condizioni apparentemente comuni e simili, il materiale risponda diversamente da quanto ipotizzato e che quindi sia necessario proporre alternative diverse. Senza entrare nello specifico, si è ipotizzato di sostituire: XXXIII - HARDOX 400 con ADI 1600 o ADI 1400; - Acciaio al Mn con DIPHT[XXXIII] o ADI 1200 o ADI 1400; - Cr – Hard con ADI 1600 o ADI WR. Materiale in fase di sperimentazione brevettato dall’azienda. 101 6. Piastre antiusura Le piastre di protezione utilizzate per ricoprire il fondo della vasca di miscelazione e le pareti dell’anello rotante vengono realizzate in materiale antiusura come rivestimento protettivo contro i fenomeni abrasivi che possono verificarsi durante l’utilizzo e il funzionamento del macchinario. “ Figura n.4.9: Mescolatrice; componenti pale di miscelazione e piastra antiusura ORU” I materiali che vengono o possono essere impiegati a tale scopo vengono di seguito indicati. - Cr – Hard ο ghise bianche martensitiche con un elevato contenuto di cromo, generalmente suddivise in due classi: o Class II : ghise legate Cr-Mo con una percentuale massima dei due elementi compresa rispettivamente nell’intervallo 11% ÷ 23% e non superiore 3.5%; i tipi (Type) B, D ed E presentano una durezza di 450 HB mentre i tipi (Type) A e C di 550 HB (per getti fusi in sabbia in entrambi i casi); o Class III: ghise legate Cr-Mo con una percentuale di cromo compresa tra il 25% e il 28% e di Mo non superiore ad 1.5%; presentano una durezza di 450 HB (per getti fusi in sabbia); - Ni – Hard ο ghise bianche martensitiche dove il principale alligante è il nichel, contenuto in percentuali che vanno dal’3% al 5%. La quantità di cromo varia all’interno dell’intervallo 1.4 ÷ 4%, in modo tale da ridurre l’effetto grafitizzante dl nichel. Esiste una sola classe di ghise Ni – Hard (Class I), suddivisa in quattro tipologie (Type A, B, C e D) che differiscono per la quantità di carburi contenuti e per le conseguenti proprietà di resistenza e durezza che ne derivano; la durezza di queste ghise è 550 HB (per getti fusi in sabbia); - Mn 12 ο si tratta di un acciaio appositamente realizzato per resistere a problemi di usura dovuti ad urti e/o forti compressioni. Allo stato di fornitura questo acciaio 102 si presenta molto tenace; durezza e resistenza sono relativamente basse e non sono pertanto indicative per la resistenza ad usura, tuttavia, sottoposto a forti urti o pressioni, si ha un incrudimento della superficie che aumenta di durezza raggiungendo i 500 HV; - Dur 25 ο La struttura della lega è caratterizzata dalla presenza di carburi di cromo primari dispersi in una matrice prevalentemente austenitica; la percentuale di carburi presenti varia tra il 30% e il 40%; presenta una durezza di 52 ÷ 58 HRC. - Industeel CREUSABRO® M Wear Resistant Steel ο trattandosi di un materiale che tende ad incrudire sotto sforzo e che assume caratteristiche, sia in termini di composizione che di comportamento sottosforzo, simili al Mn 12, si è ipotizzato potesse essere un materiale eventualmente utilizzabile per questo tipo di applicazioni. La sua durezza può di fatto aumentare da 200 HB a 600 HB durante la lavorazione; è in grado di resistere molto bene ad urti ed impatti; - Mn X ο presenta la stessa quantità di manganese e cromo del Mn 12, le prestazioni in esercizio sono praticamente le stesse del materiale già in uso; l’aggiunta di carbonio rispetto quest’ultimo conferisce al nuovo materiale solo un grado di durezza superiore a seguito della formazione di carburi (700 HV); - Roc Mn ο anche in questo caso l’elevato contenuto di manganese conferisce a questo acciaio la caratteristica di indurirsi sotto urti violenti; la sua durezza di 400 HB, anche se inferiore alle precedenti, è comunque compresa all’interno dell’intervallo 200 ÷ 600 HB; - HARDOX 400 ο si tratta di un materiale a largo impiego nel settore usura grazie alle sue ottime proprietà di resistenza e durezza; date le sue caratteristiche e date le informazioni reperite relativamente a questo materiale, si è scelto di indicarlo come possibile candidato per applicazioni di questo tipo; la durezza del materiale è di 400 HB; - HARDOX 450 ο si tratta di un materiale a largo impiego nel settore usura grazie alle sue ottime proprietà di resistenza e durezza; date le sue caratteristiche e date le informazioni reperite relativamente a questo materiale, si è scelto di indicarlo come possibile candidato per applicazioni di questo tipo; la durezza del materiale è di 450 HB; 103 - HARDOX 500 ο si tratta di un materiale a largo impiego nel settore usura grazie alle sue ottime proprietà di resistenza e durezza; date le sue caratteristiche e date le informazioni reperite relativamente a questo materiale, si è scelto di indicarlo come possibile candidato per applicazioni di questo tipo; la durezza del materiale è di 500 HB[XXXIV]. “Figura n.4.10: Mulino ad anello rotante; componenti: pale e bracci di miscelazione, piastre antiusura; Liebherr-Werk Biberach Gmbh” Come possibili sostituti Zanardi ha proposto i materiali seguenti: - Ni – Hard e Cr – Hard sostituiti con ADWR; - Mn 12 sostituito con DIPHT o ADI 1600 o ADI 1400. 7. Pettini per la macinazione Sistema di frantumazione di roccia non eccessivamente dura e tenace, come ad esempio argilla e terra da fonderia[XXXV] ma anche acciaio da PFU (Pneumatici Fuori Uso)[XXXVI]; per quanto riguarda i materiali che si è ipotizzato potessero essere utilizzati in questo tipo di applicazione, considerata la natura degli elementi che vengono lavorati, sono stati selezionati - HARDOX 400; - HARDOX 450; - HARDOX 500; - Cr – Hard, Class II Type A e C e Class I Type A, B, C e D, che presentano una durezza di 550 HB e sono particolarmente resistenti ai fenomeni di usura. XXXIV Fonte: ORU, materiale per il fondo della vasca con durezze superiori ai 500HB Fonte: CIMMA XXXVI Fonte: PANIZZOLO XXXV 104 8. Rotori Sistemi di macinazione ai quali vengono generalmente agganciati i martelli per la frantumazione; devono presentare quindi una buona resistenza ad usura e agli impatti. Sicuramente realizzati in ghisa bianca martensitica Class III Type A[XXXVII], con una durezza di 600 HB, sostituibile con ADI WR o ADI 1600. “Figura n.4.11: Frantoio particolare, CIMMA” Analogamente, potrebbero essere utilizzati come materiali: - Cr – Hard, Class II Type A e C (durezza 550 HB); - Ni – Hard, Class I Type A, B, C e D. “Figura n.4.12: Rotore, KACHELE” XXXVII Fonte: Zanardi Fonderie S.p.A. 105 4.1.2.2.Sistemi di movimentazione a terra : escavatori e attrezzatura per attività sotterranee. Sistemi caratterizzati da componenti per la movimentazione a terra e l'abbattimento delle strutture murarie, opere in calcestruzzo, frantumazione di manti stradali; gli accessori di interesse che completano tale sistema sono: - Benne; o a polipo; o da scavo; o grigliate; o roccia; o carrara. - Cingoli/componenti per sottocarro; - Sprockets; - Frantumatori; - Pinze; - Ripper; - Testata fresante/aratro. 1. Benne a polipo Attrezzatura per la movimentazione e il prelievo dei materiali. Corpo centrale e valve vengono generalmente realizzati in materiale resistente all’usura, con una durezza di HB400 [XXXVIII] . Il materiale per certo utilizzato può quindi essere un HARDOX 400, dato che rispetta le condizioni e i requisiti in termini di durezza. Dalle informazioni ricavate da è possibile affermare che anche HARDOX “Figura n.4.13: Benna a polipo, CAT – PRODOTTI STRADALI” XXXVIII XXXIX 106 500[XXXIX] è un potenziale elemento d’impiego. Fonte: MANTOVANIBENNE e CANGINIBENNE. Fonte: CAT – PRODOTTI STRADALI. Altri materiali che possono caratterizzare questo tipo di componenti sono materiali ad elevata resistenza all’impatto[XL], come gli Acciai al Mn o ghise bianche martensitiche, che vengono impiegate principalmente quando sono richieste un’elevata resistenza all’usura “Figura n.4.14: Benna a polipo, MANTOVANIBENNE” ma soprattutto agli impatti ripetuti. 2. Benne da scavo Queste benne sono ideali per lo scavo di canali per utenze pubbliche, le operazioni di scavo generiche e il reinterro in terreni da morbidi a medi. Non sono reperibili informazioni, ma per analogia con altre applicazioni, possono essere considerati validi materiali quali: “Figura n.4.15: Benna da scavo, CAT – PRODOTTI STRADALI” - HARDOX 400; - HARDOX 450; - HARDOX 500; I denti di questi componenti possono essere realizzati nello stesso materiale ma anche in Acciai al Mn – Roc Mn, Mn X, Mn12 e Industeel CREUSABRO® M Wear Resistant Steel. Generalmente si realizza un riporto, tipicamente con carburo di tungsteno – WC – per rinforzare la struttura del dente ed evitare una sua precoce usura; tuttavia nella maggior parte dei casi il materiale sotto questo rinforzo è “morbido” e tende quindi a consumarsi velocemente. XL Fonte: CAT – PRODOTTI STRDALI 107 3. Benne grigliate Benna realizzata per una selezione primaria di materiali di varia natura, per bonifica e pulizia di terreni e per una preselezione del materiale di risulta da una demolizione. La luce delle griglie è determinata in funzione alla pezzatura del prodotto che si richiede. Tutte le griglie vengono “Figura n.4.16: Benna grigliata, MANTOVANIBENNE” saldate singolarmente su un piano di rinforzo e fissate tra loro con dei segmenti longitudinali per garantire solidità alla struttura. Le lame sono realizzate in acciaio HB400[XLI], quindi i materiali che posso potenzialmente essere utilizzati sono: - HARDOX 400; - Roc Mn; - Industeel CREUSABRO® 4800 Advanced Technology in Wear Steel; - Ni – Hard, Class II Type B, D ed E – particolarmente indicate per applicazioni che prevedono l’estrazione e la movimentazione di roccia dura, con una durezza di 450 HB. 4. Benne roccia Tale benna presenta una struttura particolarmente rinforzata nei punti di maggiore sforzo e usura. Il particolare design consente un’ottima penetrazione anche nei suoli più compatti e nella roccia; permette, inoltre, la movimentazione ed il carico di massi, roccia sparata, porfidi e arenarie. Benna ideale anche per la coltivazione “Figura n. 4.17: Benna roccia, TREVI BENNE” XLI XLII Fonte:TREVI BENNE. Fonte:TREVI BENNE. 108 di cave, interamente realizzata in HARDOX 400 [XLII]. Per analogia di caratteristiche in termini di durezza potrebbe essere utilizzato anche Roc Mn, Industeel CREUSABRO® 4800 Advanced Technology in Wear Steel, Ni – Hard, Class II Type B, D ed E. 5. Benne carrara Questa benna é stata studiata appositamente per le esigenze di movimentazione e carico di massi o blocchi di rilevanti dimensioni. La struttura é rinforzata in più punti per il lavoro gravoso a cui é sottoposta: le parti di maggior usura sono realizzate in “Figura n.4.18: Benna carrara, MANTOVANIBENE” acciaio speciale, sono previste, al suo interno, costole di protezione per evitare lo strisciamento dei massi sul fondo benna. La geometria dell’attrezzatura prevede un profilo molto svasato con lama a delta molto avanzata per favorire la movimentazione di massi e blocchi [XLIII]. Nessuna informazione più approfondita è resa disponibile dal costruttore relativamente al materiale impiegato per la realizzazione; tuttavia si può affermare per analogia che anche in questo caso il materiale potenzialmente impiegato ha una durezza uguale o superiore ai 400 HB, appositamente ricoperto da materiale resistente all’usura come può essere il carburo di tungsteno o un acciaio bonificato, cementato e temprato [XLIV]. 6. Cingoli/ componenti per sottocarro I cingoli migliorano le caratteristiche di flottazione su terreni soffici, sabbiosi, rocciosi o fangosi e garantiscono una migliore trazione su superfici sdrucciolevoli; i componenti costitutivi sono realizzati con materiali particolarmente resistenti all’usura in modo tale da incrementare l’intera affidabilità e durata del sottocarro. XLIII XLIV Fonte:MANTOVANIBENNE Fonte: Zanardi Fonderie S.p.A. “Figura n.4.19: cingolati, GEMMO GROUP” 109 Il materiale utilizzato è il DOMEX 700 [XLV], acciaio ad alto indice di snervamento. 7. Sprockets Ruota motrice, componente costitutivo di escavatori e sottocarri. Realizzata in acciaio resistente all’usura, con una buona resistenza meccanica e agli urti. “Figura n.4.30: Sprockets,componente per sottocarro BOBCAT” I materiali impiegati sono stati individuati a partire dalla definizione degli stessi e dalle indicazioni disponibili relativamente ai loro impieghi: XLV - HARDOX 400; - HARDOX 450; - HARDOX 500; - 20MnCr5; - 27MnCrB5; - 38MnCrB5; - 16CrNi4. Fonte: http://www.officineantolini.it/categorie.php 110 8. Frantumatori Sistemi per la demolizione e la frantumazione primaria e secondaria, caratterizzati generalmente da una mascella mobile ed una fissa, dotate di denti polverizzatori, intercambiabili e sostituibili. Il corpo del frantumatore è realizzato in HARDOX 400 [XLVI]. Nessuna specificazione è disponibile per quanto riguarda i denti del componente; trattandosi di lame taglienti, partendo “Figura n.4.21: Frantumatore, TREVI BENNE” dalle caratteristiche dei materiali catalogati nel capitolo III, è possibile che quelli utilizzati siano, quanto meno per realizzare lo strato protettivo superficiale, la placchetta di riporto: - Cobalt 6BH; - Vanadis 23 - Crucible Steel CPM® 9V® Tool Steel CPM 9V; - Carburo di W. 9. Pinze a. Demolitrici I demolitori sono costruiti con materiali ad alta resistenza all’usura con durezza HB 400[XLVII] e sono progettati e realizzati per consentire lavori di demolizione di strutture in laterizio, legno ed altri materiali, nonché per effettuare la selezione dei materiali “Figura n.4.22: Pinza demolitrice, MANTOVANIBENNE” XLVI XLVII di risulta della demolizione; ogni demolitore è fornito di lame reversibili, imbullonate e intercambiabili. Fonte: VTN, MANTOVANIENNE. Fonte: MANTOVANIBENNE e CANGINIBENNE. 111 Il corpo è quindi realizzato tendenzialmente in HARDOX 400. Date le loro caratteristiche e proprietà, possono essere valide anche le ghise martensitiche Ni – Hard, in quanto utilizzate per la realizzazione di componenti per la selezione, la movimentazione e la demolizione di materiali in condizioni che necessitano di un’elevata resistenza ad usura. Le lame montate sulle chele, sono tendenzialmente dei riporti antiusura probabilmente realizzate in Carburo di Tungsteno, questo perché si tratta di un materiale alto resistenziale, utilizzato nell'industria mineraria, petrolifera e delle costruzioni o in rivestimenti appunto resistenti all'usura. b. Cesoie “Figura n.4.23: Pinza cesoia, CANINIBENNE” Si tratta di componenti utilizzati per la frantumazione di cemento e acciaio. Le chele vengono realizzate in acciaio HB400 - tendenzialmente HARDOX 400 - mentre i coltelli in acciaio temprato [XLVIII] . Non è stato possibile recuperare informazioni più esaustive riguardo questo componente. XLVIII 112 Fonte: CANGINIBENNE. c. Selezionatrice e Movimentatrice “Figura n.4.24: Pinza selezionatrice, BOBCAT” Sistema per il sollevamento e la movimentazione di materiale. Non essendo disponibili informazioni sufficientemente esaustive, ma trattandosi di attrezzature che hanno una funzionalità simile a quella delle benne polipo, è possibile dedurre che probabilmente i materiali utilizzati saranno gli stessi di quest’ultima applicazione. Tendenzialmente quindi il corpo sarà realizzato in HARDOX 400; le chele, i componenti direttamente interessati per l’attività di sollevamento e movimentazione, possono essere costruiti con materiale resistente all’usura abrasiva, quindi tipicamente W- Carbide (WC). 10. Ripper Attrezzatura impiegata per lavori di estrazione in cava su terreni molto duri e compatti o superfici rocciose. La configurazione della struttura aiuta il trattamento dei materiali più resistenti e abrasivi, concentrando la forza di penetrazione sulla punta del dente. Componente interamente realizzato in HARDOX 400 [XLIX]. Possono essere impiegati anche materiali come 27MnCrB5 e Figura n.4.25: Dente Ripper, CANGINIBENNE” XLIX 38MnCrB5. Fonte: TREVI BENNE e CANGINIBENNE. 113 11. Testata fresante “Figura n.4.26 a: Testata fresante, BOBCAT” Figura n.4.26 b: Puntali testata fresante Accessorio per la demolizione di strutture complete, per scavare canali in terreni rocciosi o per preparare la riparazione di superfici in asfalto o calcestruzzo. Il corpo può essere realizzato in materiale antiusura come ad esempio Acciaio fuso (probabile al Mn) con puntali in frgiato e placchetta di rinfirzo e copertura in W – Carbide (WC). 114 4.1.2.3.Sistemi di convogliamento e piani vaglianti. Sistemi di alimentazione e trasporto di materiali per la successiva lavorazione – macinazione o frantumazione; applicazioni generalmente associate ai sistemi di macinazione o frantumazione. I componenti costitutivi sono: - Boccole; - Idler; - Maglia piastre per catene; - Piastre per vagli. 1. Boccole Prodotti realizzati con una speciale lega di acciaio, trattati termicamente e con un’elevata resistenza all’usura; la boccola è la soluzione migliore per la riduzione dei fenomeni di attrito e di usura. “Figura n.4.27: Boccola per catena, BERCO S.p.A.” I materiali utilizzati per questo tipo di componenti sono: - 16CrNi4; - 18NiCrMo5; - 16MnCr5 . Zanardi propone come alternativa al 16MnCr5, le ghise ADI sferoidali nei gradi ADI 1000 e ADI 1400. Un’altra valida alternativa e l’ADI WR. 115 2. Idler Ruota folle, tipica dei sistemi di convogliamento, realizzata in: “Figura n.4.28: Idler, BERCO S.p.A.” - 38MnCrB5; - 20MnCr5; - 27MnCrB5; - 16CrNi4; - HARDOX 450; - HARDOX 500. Potenzialmente tale componente per Zanardi potrebbe essere realizzato in ADI 1000. 3. Maglie per catene “Figura n.4.29: Convogliatori a catena, AUMUND” Per il trasporto e la distribuzione di polveri e materiale grossolano alla rinfusa, tendenzialmente abrasivo. Il sistema può essere realizzato in acciaio indurito fino a 58 – 60 HRC [L] ;non vengono fornite ulteriori specificazioni. Materiali tipicamente utilizzati per questo tipo di applicazioni [LI] sono: L LI Fonte: AUMUND Informazioni contenute nella descrizione e definizione stessa dei materiali elencati. 116 - ASTM D7; - ASTM D7 Modificato; - HARDOX 450; - HARDOX 500; - Industeel CREUSABRO® 8000 High Performance Wear Resistant Steel. 4. Piastre per vagli. “Figura n.4.30: Piastra per vagli, METSO” Sistemi di trasporto di materiale abrasivo, rocce o polveri fini. Sulla base delle indicazioni a disposizione relativamente ai diversi materiali individuati, si possono indicare come valide le seguenti proposte: - ASTM D7; - ASTM D7 Modificato; - HARDOX 450; - HARDOX 500; - Industeel CREUSABRO® 8000 High Performance Wear Resistant Steel. Le informazioni di questo capitolo, non sono purtroppo complete, precise ed esaustive. Il lavoro di ricerca e di analisi svolto richiederebbe probabilmente ulteriori approfondimenti per consentire una maggior correttezza dei dati e di quanto riportato. Ad oggi quanto raccolto consente di giungere a queste conclusioni sicuramente migliorabili. 117 118 CONCLUSIONI Il lavoro di ricerca svolto ha permesso di approcciare ad un mondo, quello dell’usura, particolarmente complesso e soggetto a numerose variabili. Grazie alla possibilità offerta dalla Zanardi Fonderie S.p.A., è stato possibile osservare concretamente il funzionamento delle applicazioni e il comportamento dei componenti soggetti ad usura, comprendendo che ogni situazione presenta delle condizioni e requisiti propri difficilmente generalizzabili. L’esperienza di stage ha permesso di comprendere come potenzialmente un materiale innovativo ma poco conosciuto come la ghisa sferoidale e la ghisa sferoidale austemperata nella fattispecie, possano essere la soluzione alternativa per un mercato oggettivamente ampio e diversificato, come quello dell’usura. Si è cercato di rendere il più esaustivo possibile le informazioni raccolte e riportate all’interno di questo lavoro di tesi, nonostante l’ampiezza dell’argomento, che richiede ulteriori e continui approfondimenti per essere più completo. 119 120 RINGRAZIAMENTI A conclusione di questo non sempre semplice percorso di studi, voglio dedicare qualche parola per ringraziare le persone che da sempre mi hanno accompagnata e sostenuta. Un ringraziamento doveroso per l’azienda che mi ha ospitata, la Zanardi Fonderie S.p.A. e un ringraziamento particolare per l’Ing. Enrico Veneri e l’Ing. Michele Arzenton per l’aiuto e la dedizione dimostratami durante il periodo di stage, li ringrazio per la loro attenzione e per la disponibilità con cui mi hanno seguita. Ringrazio il mio relatore, il professor Franco Bonollo che ha saputo consigliarmi per meglio realizzare e completare questo lavoro di tesi. Ringrazio di cuore gli amici che oggi sono qui a sostenermi e quelli che non ci sono ma che mi hanno sempre fatto sentire la loro presenza e il loro affetto. Un grazie speciale va ad Enrico, perché con la sua pazienza, serenità e fiducia mi ha da sempre sostenuta durante tutti questi cinque anni, la sua vicinanza mi ha sempre incoraggiata e aiutata, mi ha sempre dato la forza per non abbandonare mai. Lo ringrazio perché con lui la salita per arrivare alla vetta è sempre sembrata meno faticosa e difficile, lo ringrazio per ogni singolo momento condiviso, per la sua disponibilità e comprensione, per i suoi consigli e per esserci sempre stato. Infine, ma non con minor sentimento o importanza, ringrazio dal più profondo la mia famiglia, i miei genitori. Li ringrazio per i valori che mi hanno trasmesso e che ogni giorno continuano a trasmettermi, li ringrazio per la loro fondamentale presenza, per la loro capacità di ascolto, per la loro tenacia, per tutti i sacrifici che per me hanno fatto per permettermi di arrivare a questo importante traguardo. Un grazie va anche a mio fratello Riccardo, più piccolo di me ma con una saggezza ed una bontà d’animo che si sono rivelati indispensabili in più di un’occasione. 121 122 BIBLIOGRAFIA e SITOGRAFIA “[1] http://ec.europa.eu/environment/natres/” “[2] http://ec.europa.eu/environment/eussd/” “[3] http://www.bbc.co.uk/schools/gcsebitesize/” “[4] European commission, “Report of the Ad hoc Working Group on defining critical raw materials” , Report on critical raw materials for the EU , May 2014” “[5] Roeland Van der Stappen, ERT, “Raw materials in the industrial value chain”, January 2013 ” “[6 ] UNEP, “ Metal Stocks in Society – Scientific Synthesis”, May 2010” “[7] UNEP, “ Metal Recycling – opportunities, limits, infrastructure”, 2013” “[8] CRM_InnoNet, “CRM supply – chain analysis of Energy, ICT and electronics and Transport sectors”. October 2014 “[9] YALE, T.E. Graedel et al., “On the material basis of modern society”, October 2013” “[10] http://zanardifonderie.com/wpcontent/uploads/2013/04/2009CongressoALUMOTIVE.pdf ” “[11] http://static.gest.unipd.it/metallurgia/files/ghise2000.pdf ” “[12] Zanardi Fonderie, “DICHIARAZIONE AMBIENTALE”, anno 2005” “[13] YALE, T.E. Graedel et al., “Criticality of metals and metalloids”, February 2015” “[14] Washington D.C. U.S. “Minerals, Critical Minerals, and the U.S. Economy, 2008” “[15] Zanardi Fonderie “Informational sheet on austempered ductile iron - property wear resistance”, anno 2011 ” “[16] “S. Glöser, L. T. Espinoza, C. Gandenberger, M. Faulstich, “ Raw material criticality in the context of classical risk assessment”, December 2014” 123
